Leitartikel

Prof.Dr.

Deutschland nimmt mit der Energiewende sowohl eine politische als auch eine gesellschaftliche Vorreiterrolle in den globalen Anstrengungen zur „Dekarbonisierung“ der Energiesysteme ein. Die Implementierung von Techniken, um Elektrizität aus erneuerbaren Quellen zu gewinnen, schreitet auch ohne Anreize durch staatliche Förderung in vielen Ländern voran. In diesem Wettbewerb um die Gestaltung einer erneuten industriellen Revolution gilt es, für das „Versuchslabor Deutschland“ Chancen zu nutzen und Risiken zu minimieren. Hierfür bietet die deutsche Wissenschaftslandschaft aufgrund der traditionell wirkungsvollen Vernetzung von akademischer Forschung und industrieller Umsetzung hervorragende Voraussetzungen.Unter dem Begriff Power-to-X werden Techniken zusammengefasst, die auf eine Umwandlung von elektrischer Energie in stoffliche Energieträger und energieintensive Chemieprodukte zielen. Durch die Verknüpfung zwischen energetischer und stofflicher Wertschöpfungskette haben solche Techniken besonderes Potenzial, den Einsatz fossiler Rohstoffe in den Sektoren Energiewirtschaft, Transport/Verkehr und Chemie zu verringern. Diesem Ansatz widmen Politik und Wissenschaft unter dem Stichwort Sektorkopplung hohe Aufmerksamkeit. Eine Schlüsselfunktion hat dabei die elektrochemische Nutzung von Strom aus erneuerbaren Quellen, um stoffliche Ressourcen wie Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Synthesegas zu erzeugen. Die zweite Schlüsseltechnik ist die Katalyse für die anschließende effiziente Verwertung dieser Ressourcen über ökologisch und ökonomisch sinnvolle Prozesse zu stofflichen Energieträgern und chemischen Produkten.Im Oktober startete das vom Bundesforschungsministerium (BMBF) im Rahmen des Kopernikus-Programms geförderte Projekt „P2X: Erforschung, Validierung und Implementierung von Power-to-X-Konzepten“, koordiniert von RWTH Aachen, dem Forschungszentrum Jülich und der Dechema. Das P2X-Konsortium umfasst deutschlandweit 64 Arbeitsgruppen aus 17 Forschungseinrichtungen, 26 Industrieunternehmen sowie 3 zivilgesellschaftlichen Organisationen. Das in sechs Forschungsclustern und einem übergeordneten Roadmap-Prozess strukturierte Forschungsprogramm verbindet Grundlagenforschung in den Kompetenzfeldern Elektrolyse, Katalyse und Prozessdesign mit den Anwendungsfeldern der industriellen Sektoren. In jedem Cluster wird die technische Entwicklung von Anfang an mit gesellschaftlichen Bedürfnissen und Akzeptanzfragen durch integrierte Forschung in den Handlungsfeldern Nachhaltigkeit und Systemintegration abgeglichen.Die Technologie-Optionen und die daraus abgeleiteten Forschungsfragen sind anhand von fünf Leitgedanken definiert: hohe CO2-Einsparung bei maximaler Wertschöpfung, Integration dezentraler und autarker Lösungen, Skalierbarkeit und Modularisierung, gesellschaftliche Bedürfnisse und Akzeptanz sowie Exportfähigkeit.Das BMBF gibt mit dem Kopernikus-Programm ein starkes Signal, welch hohe Bedeutung die Regierung der Forschung zum Gelingen der Energiewende beimisst. Neben dem Projekt P2X haben drei weitere Konsortien ihre Arbeit aufgenommen. Deren Themen sind: Lastmanagement in Industrieprozessen, Netze und deren Optimierung sowie Systemintegration. Die langfristig angelegte Förderung von großen Projektverbünden mit einer dynamischen Entwicklungsperspektive ist ein neuartiges Konzept der BMBF-Forschungsprogramme. Für große Herausforderungen mit stark inter- und transdisziplinärem Charakter bietet dies eine neue Qualität der Kooperationsmöglichkeiten. Diese Art von Leuchtturmprojekten funktioniert jedoch nur auf Basis einer breiten Grundlagenforschung und einer auch in kleineren Projektstrukturen gut ausgebauten Wissenschaftslandschaft.Prof. Dr. Walter Leitner, Lehrstuhl für Technische Chemie und Petrolchemie, RWTH Aachen<div><img src="https://media.graphcms.com/utH5ZfyqRLeV8YoSil9H">

</div>Prof. Dr. Rüdiger-A. Eichel, Direktor des Instituts für Energie- und Klimaforschung, Forschungszentrum Jülich<div><img src="https://media.graphcms.com/22vICGZOTjaiFk7yJEJ1">

</div>Prof. Dr. Kurt Wagemann, Geschäftsführer der Dechema, Frankfurt<div><img src="https://media.graphcms.com/HQMxHMkBSISQ38llRenZ">

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Meinungsbeitrag

Starkes Signal für die Energiewende

Deutschland nimmt mit der Energiewende sowohl eine politische als auch eine gesellschaftliche Vorreiterrolle in den globalen Anstrengungen zur „Dekarbonisierung“ der Energiesysteme ein. Die Implementierung von Techniken, um Elektrizität aus erneuerbaren Quellen zu gewinnen, schreitet auch ohne An...

Wissenschaft & Forschung

Kieselalgen haben Zellwände aus biomineralisiertem Silikat. Um diese aufzubauen, nehmen sie gelöste Kieselsäure auf und scheiden diese ab. Die Mikroalgen sind aber nicht nur Baumeister, sie erspüren die Kieselsäure auch und orientieren sich an Gradienten dieser anorganischen Ressource.
Kieselalgen oder Diatomeen sind mikroskopisch kleine Organismen, die in nahezu allen Weltmeeren, Flüssen und Seen leben. Die Algen kommen dabei sowohl in Biofilmen vor als auch frei schwebend im offenen Wasser als Phytoplankton. Durch ihre Verbreitung und ihre photosynthetische Aktivität übernehmen sie nahezu ein Fünftel der globalen CO2-Fixierung. Sie tragen damit zur globalen Photosyntheseleistung ähnlich viel bei wie sämtliche Regenwälder der Erde.Kieselalgen treiben nicht nur atmosphärische Prozesse an, sondern sie haben auch eine zentrale Position im globalen Silikatkreislauf, in dem sie jährlich zirka sieben Gigatonnen Silicium umsetzen.1) Dies liegt an ihrer charakteristischen Eigenschaft, Zellwände aus Silikat aufzubauen. Resultat sind nanostrukturierte Zellen, oft mit vielen Ornamenten (Abbildung 1).<figure><img src="https://media.graphcms.com/8yYDWwmgRweICiqkOmXO"><figcaption><label>Abb. 1: </label>In seinem 1900 erschienenen Buch „Kunstformen der Natur“ zeigt der Jenaer Naturforscher Ernst Haeckel, welche Formen die biomineralisierten Zellwände von Diatomeen bilden. <named-content>Quelle: E. Haeckel, Verlag des Bibliographischen Instituts, Leipzig und Wien, 1900</named-content></figcaption></figure>
Die Zellwände, deren Aufbau an statisch optimierte menschlichen Bauten erinnert, schützen die Algen durch ihre große Stabilität: Eine mikroskopisch kleine Zelle mit einer Oberfläche von etwa 100 µm2 hält Kräften von bis zu 750 µN stand, wie Untersuchungen mit Mikrowaagen zeigen. Das entspricht einem Druck von 7,5·10–5 bar. Umgerechnet auf unsere makroskopische Welt würde eine ein Quadratmeter große Konstruktion einem Gewicht von über 100 Tonnen widerstehen.2) Die Silikatwände schützen die Algen also wie ein Haus aus Glas.<h2>Biomineralisierung</h2>Hauptressource für Zellwände der Diatomeen ist im Wasser gelöste Kieselsäure, welche sie mit spezifischen Transportern aufnehmen und in Vesikeln anreichern.1) Die Zellwände bestehen aus einem Kompositmaterial aus anorganischen und organischen Komponenten. Löst man die mineralisierten Zellwände der Diatomeen in wasserfreiem Fluorwasserstoff, bleibt ein organischer Rückstand. Durch dessen Analyse ließ sich der Mechanismus der Biomineralisierung aufklären.Im organischen Rückstand sind unter anderem Silaffine, eine modifizierte Peptidklasse, die in vitro die Ausfällung von Kieselsäure katalysiert. Je nach Art der Silaffine bilden sich dabei Partikel unterschiedlicher Größe. Dies ist ein erster Hinweis darauf, dass Silaffine die Kieselsäureabscheidung dirigieren.3)Zusätzlich finden sich im Rückstand nach Fluorwasserstoffbehandlung artspezifische Polyamine. Fällt Kieselsäure in vitro aus, während Mischungen der Silaffine und Polyamine anwesend sind, entstehen unterschiedliche, klar definierte Strukturen. Diese Vorgänge zeigen, wie artspezifisch aufgebaute Kieselalgenschalen in vivo entstehen.4)Der Transport in die Zellen und die anschließende Biomineralisierung entfernt Kieselsäure aus dem Wasser. Im Gegenzug wird diese Ressource in Form von gelösten Silikaten aus dem terrestrischen Umfeld ins Wasser eingetragen, also etwa durch Regen aus Mineralien ausgewaschen und durch Flüsse dem Meer zugeführt. Dies führt in Meeren und Seen zu jahreszeitlich schwankenden Silikatgehalten, welche die Artengemeinschaften der Algen beeinflussen. Gibt es zu wenig gelöstes Silikat, vermehren sich die Kieselalgen nur begrenzt. Das ist ein Vorteil für Mikroalgen, die um den Lebensraum und Nährstoffe konkurrieren, und trägt zur fluktuierenden Artenzusammensetzung in Gewässern bei.<h2>Suchverhalten im Silikatgradienten</h2>Biofilmbildende Algen sind den im Wasser vorliegenden Silikatkonzentrationen nicht passiv ausgeliefert. Die Algen reagieren auf Konzentrationsgradienten der gelösten Kieselsäure und jagen diesen Nährstoff. Dazu gleiten sie auf Oberflächen – im Meer und in Seen meist auf Sedimenten oder Steinen –, indem sie ein saccharidhaltiges Polymer absondern. Ist das Silikat begrenzt, werden die Algen mobiler, was sich als chemokinetisches Suchverhalten interpretieren lässt.5)Aber nicht nur die Geschwindigkeit der Algen wird durch Silikat beeinflusst, sondern sie orientieren sich auch am Silikatgradienten, bewegen sich also dorthin, wo das meiste Silikat ist. Mit künstlichen Silikatgradienten lässt sich dieses Suchverhalten untersuchen. Um diese zu erzeugen, werden mikrometergroße Aluminiumoxidpartikel mit Silikat beladen. Werden diese Partikel in Kulturen der Diatomee Seminavis robusta eingebracht, sammeln sich die Algen innerhalb weniger Minuten um diese Silikatquelle, wie das Lichtmikroskop zeigt (Abbildung 2). Dies resultiert aus einer gerichteten Bewegung, die auf die Silikatquelle orientiert ist. Die Zellen nehmen also die gelöste Mineralsäure wahr und finden durch chemotaktische Orientierung den Weg zu Stellen hoher Silikatkonzentrationen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/MAErVse5TV6UpZjEhNsv"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Zellen der Diatomee Seminavis robusta. Links: Zehn Minuten nachdem ein silikatbeladener Aluminiumoxidpartikel zugegeben wurde. Die Zellen akkumulieren sich um die Silikatquelle. Rechts: Bei der Kontrollprobe ohne Partikel akkumulieren sich die Zellen nicht. Filme, die Suchbewegung und Akkumulation dokumentieren, gibt es unter <ext-link ext-link-type="uri"><a href="http://t1p.de/0ti0" target="_blank">http://t1p.de/0ti0</a></ext-link>.</figcaption></figure>
Das Suchverhalten ist dabei stark von der Silikatkonzentration abhängig. Werden im Labor Konzentrationen eingestellt, die auch in der Natur vorherrschen, ist die Antwort der Algen am stärksten. Das Suchverhalten folgt den Mustern einer rezeptorabhängigen Antwort. Diese Orientierung wirft die Frage auf: Wie erkennen die Algen die anorganische Ressource? Chemorezeption ist für Algen allenfalls als Antwort auf organische Botenstoffe bekannt.Versuche mit Aluminiumoxidpartikeln, auf die Germaniumsäure aufgetragen wurde, zeigen die Spezifität der postulierten Rezeptoren. Kieselalgen nehmen auch gelöstes Germanium auf und bauen es in die Zellwände ein. Dies führt allerdings zu Missbildungen und bei höheren Germaniumkonzentrationen auch zum Absterben der Zellen. Es sammeln sich allerdings weniger Zellen um die Quelle der toxischen Verbindung als um die Partikel ohne Germanium.5) Indem die Algen gelöste Mineralsäuren in ihrer Umwelt spezifisch wahrnehmen, steuern sie die Suche nach essenziellen Ressourcen und vermeiden toxische Verbindungen. Welche Rezeptoren an dieser Reaktion beteiligt sind und wie die Zellen die Signale in Bewegung umsetzen, ist allerdings noch unklar.<h2>Sexuelle Vermehrung</h2>Die Zellarchitektur mit der starren Zellwand hat auch Konsequenzen bei der Zellteilung. Die Zellwände der Diatomeen bestehen aus zwei Teilen, die wie Ober- und Unterteil bei einer Petrischale überlappen: Der Deckel heißt Epitheka und die Schale Hypotheka.Bei der mitotischen Zellteilung bilden sich zunächst neue Zellwände innerhalb der bestehenden Zelle. Bei vielen Diatomeenarten führt diese Art des Aufbaus der neuen Behausung innerhalb der starren Mutterzelle dazu, dass die mittlere Zellgröße der nächsten Generationen abnimmt (Abbildung 3), die Zellen sind also nach der Teilung durchschnittlich kleiner.<figure><img src="https://media.graphcms.com/ipFjpb9S1iFsaV4aQEg5"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Lebenszyklus der Diatomee Seminavis robusta. Die biomineralisierte Zellwand besteht aus oberer und unterer Schale (Epi- und Hypotheka). Während der Mitose bilden sich neue Zellwände innerhalb der Mutterzelle, die Zelle wird kleiner. Wird ein kritischer Wert unterschritten, bilden sich die Paarungstypen MT– und MT+. Synchronisiert durch sexinduzierende Pheromone (Dreiecke) entsteht das Attraktionspheromon (grüne Punkte), in dessen Gradienten sich die Zellen finden. Nach der Paarung bilden sich dann über verschiedene Stadien die großen Mutterzellen.6)</figcaption></figure>
Bei in Kultur gehaltenen klonalen Zellen, also solchen Zellen, die von einer einzigen Zelle abstammen und deshalb identisches Erbgut haben, nimmt die Größe kontinuierlich ab. Letztendlich sterben diese Kulturen, da der zur Verfügung stehende Raum nicht mehr für die essenziellen zellulären Funktionen reicht. In der Natur umgehen Kieselalgen dieses Dilemma: Unterschreiten die Zellen eine gewisse Größe, bilden sich unterschiedliche Paarungstypen (+ und –, analog zu den Geschlechtern bei Tieren). Diese Zellen paaren sich dann und durchlaufen verschiedene Stadien, bis sie neue, große Mutterzellen bilden (Abbildung 3).6)Auch für die Paarung spielen Beweglichkeit und Chemorezeption eine zentrale Rolle. Sexinduzierende Pheromone stellen sicher, dass nur in Gegenwart geeigneter Zellen des Paarungspartners die weiteren Schritte zur Partnerfindung ablaufen. Die Zellen des Paarungstyps mating type– (MT–) senden dann zusätzliche Attraktionspheromone aus, die MT+-Zellen anlocken. Für die Einzeller ist der Pheromongradient zentral, um die Zellbegegnung sicherzustellen und damit die Effizienz der sexuellen Reproduktion zu garantieren.Lange Zeit war die Struktur der Signalstoffe unbekannt, denn sowohl der Verlust der Aktivität während der Aufreinigungsschritte als auch die problematischen Bioassays verhinderten die Aufklärung – Kulturen im Labor sexuell zu halten, ist schwierig, denn sind die Zellen zu groß, machen sie keinen Sex, sind sie zu klein, sterben sie. Erst durch Metabolomuntersuchungen ließ sich das erste Diatomeenpheromon aus S. robusta identifizieren. Dabei verglichen wir die freigesetzten Metaboliten aus MT–-Zellen vor und nach der Gabe sexinduzierender pheromonhaltiger Kulturmedien der Paarungspartner. Massenspektrometrie wies auf ein Molekül hin, das nur nach Induktion gebildet wird. Dieses wurde aufgereinigt, seine Struktur wurde aufgeklärt, und es wurde getestet.7) Die Verbindung, das von L-Prolin abgeleitete 2,5-Diketopiperazin (Abbildung 3), ist noch in nanomolaren Konzentrationen aktiv und vermittelt effizient die sexuelle Reproduktion der Einzeller.Biomineralisierte Zellwände auszubilden, hat im Lauf der Evolution zu etlichen Mechanismen geführt, die spezifisch für Diatomeen sind. Silikataufnahme und -findung sowie die Art der sexuellen Reproduktion sind die Konsequenzen. Diese Strategien sind nicht nur einmalig, sondern auch effizient.<h2>Quergelesen</h2>Die Zellwand der Kieselalgen ist ein Komposit aus Silikat, Silaffinen und Polyaminen. Die Wand hält großen Belastungen stand und schützt dadurch die Alge.Kieselalgen bauen zwar auch andere Elemente wie Germanium in ihre Zellwände ein. Im Gegensatz zu diesem Aufnahmemechanismus ist der Suchmechanismus aber für Silikat spezifisch, das sie vorrangig einbauen.Chemorezeptoren sorgen dafür, dass die Algen sich an Silikatgradienten orientieren, und sind auch für die Paarung essenziell.<h2>Vitakasten</h2>Georg Pohnert ist seit 2007 Professor für bioorganische Analytik an der Universität Jena. Seit 2015 ist er auch Fellow am MPI für Chemische Ökologie. Er studierte an der TU Karlsruhe, promovierte in Bonn und absolvierte einen Postdoc an der Universität Cornell. Nach seiner Gruppenleiterposition am MPI für Chemische Ökologie war er Professor für organische Chemie an der ETH Lausanne, von dort ging er nach Jena. Hauptinteresse seiner Gruppe: die Wirkungsweise chemischer Signalstoffe in komplexen Lebensgemeinschaften.<div><img src="https://media.graphcms.com/WgTBrDS5TWSrx9fh0Yhj">

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<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 E. Bäuerlein, Angew. Chem. 2003, 115, 636–664.</li><li>
2 C. E. Hamm, R. Merkel, O. Springer et al., Nature 2003, 421, 841–843.</li><li>
3 a) N. Kroger, R. Deutzmann, M. Sumper, Science 1999, 286, 1129–1132; b) N. Kroger, S. Lorenz, E. Brunner, M. Sumper, Science 2002, 298, 584–586.</li><li>
4 a) M. Sumper, Science 2002, 295, 2430–2433; b) N. Kroger, R. Deutzmann, C. Bergsdorf, M. Sumper, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 2000, 97, 14133–14138.</li><li>
5 K. G. V. Bondoc, J. Heuschele, J. Gillard, W. Vyverman, G. Pohnert, Nat. Commun. 2016, 7.</li><li>
6 J. Frenkel, W. Vyverman, G. Pohnert, Plant J. 2014, 79, 632–644.</li><li>
7 J. Gillard, J. Frenkel, V. Devos et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 854–857.</li></ul>

Meinungsbeitrag

Starkes Signal für die Energiewende

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