Bioenergiák: biohidrogén

Legtisztább energiahordozó: H2 Víz primer energia szállítás, tárolás felhasználás

BIOHIDROGÉN

Hidrogén anyagcsere Archeák, Eubaktériumok, Cianobaktériumok, Algák Enzimek Nitrogenáz (N2 + 4H2  2 NH4+) Hidrogenáz (2H+ + 2e-  H2) [FeFe] [NiFe] “Fémmentes”

Biohidrogén stratégiák Fotoszintézis Fotoautotróf Fotoheterotróf Hidrogenáz Nitrogenáz Anaerob fermentáció

Biohidrogén termelési stratégiák 2H2O e- Fotoszintézis e- elektron hordozó O2 + 2H+ Hidrogenáz e- e- Sötét fermentáció Biomassza elektron hordozó 2H+ Hidrogenáz

szerves anyag napenergia + ve Redox-potenciál - ve aerob anaerob - ve + ve aerob baktériumok ciano-baktériumok erjesztő baktériumok kénredukáló baktériumok metántermelők bíbor- és zöldbaktériumok szulfidokat szulfátokká, kénné oxidálják szerves anyagokból H2+CO2 szulfát redukálása H2S-sé CO2 redukálása metánná hidrogént vízzé, szerves anyagokat és metánt CO2-vé, a szulfidokat szulfáttá oxidálják oxidációs fotoszintézises hidrogén- termelés és nitrogén-kötés

Zöld alga: Chlamydomonas reinhardtii

Zöld alga: Chlamydomonas reinhardtii Stress (pl. kén éheztetés) Fotoszintetikus fehérjék gyorsan lebomlanak Légzés csaknem állandó anaerob

Zöld alga: Chlamydomonas reinhardtii O2 és H2 termelés időben elválik 3-4 ciklus után irreverzibilis

De: a biotechnológiához stabil katalizátor kell !!! [NiFe] hidrogenázok Redox metalloenzimek [NiFe] + n [Fe4Sx] Szekvencia és szerkezet megőrzött Érzékenyek hő, oxigén, redox potencial De: a biotechnológiához stabil katalizátor kell !!!

[NiFe] hidrogenázok Heterodimer [NiFe] + CO/2CN 3 x [Fe4S4] 64kDa + 34kDa [NiFe] + CO/2CN Nagy alegységen 3 x [Fe4S4] Kis alegységen 14-15 Angstrom

Thiocapsa roseopersicina BBS  fototróf, bíbor, anaerob kénbaktérium  hideg tengervízben él, max. 30°C  elektron forrás: redukált S-vegyületek  nitrogént tud kötni  [NiFe] hidrogenázai vannak H2  2H+ + 2e-

T. roseopersicina stabil Ház  enzim  egész sejt Hő Oxigén Proteázok

Hol vannak a sejtben? ? H2 2H+ 2H+ 2H+ HynL HupL HynS HupS Isp1 2e- PS HupC Isp2 ADP+Pi ATP ADP+Pi NH4+ ATP 2e- 2e- + 2H+ N2 Xred Xox ATP ? H2 Nitrogenáz Xred: GASH ? H2 H2 H2 H2 NAD+ NADH+H+ Hox2U Hox2H Hox2F Hox1H 2H+ Hox1U Hox1E HupV 2H+ Hox2Y NADH++H+ Hox1F Hox1Y NAD+ HupU GASH:glutation amid

Hidrogenáz leltár: minden megvan, ami egy szuper jó enzimhez kell Thiocapsa roseopersicina

Aktív centrum

Hidrogenáz [NiFe] összeszerelés érett LU Fe proteáz HypD HypC1/2 Fe Ni Fe HypD HypC1/2 prekurzor LU ATP Fe HypF CP CarAB Ni proteáz AMP + PPi HypE GTP + Ni GDP + Pi ATP HypB prekurzor LU Proteáz ADP + Pi HypA prekurzor LU Fe Ni Fe Fe HypD HypC1/2 HypE HypC1/2 HypC1/2 prekurzor LU

Mutagenezis vizsgálatok Ház érés = komplex folyamat Vizsgálata: - mutáció = funkció vesztés - javítás komplementációval Vad Mutáns hypF hupK hypC1 hypD hypE hypC2 hydD

Mire jó az egész? aktív enzim Nagy alegység polipeptid (HupL/HynL) Kis alegység polipeptid (HupS/HynS) feltekeredés HypC Fex-Sx beépítés Fex-Sx kocka szintézis HypE, Fe? HypF (CO, CN) HypB (Ni) HypD HypD + HypC C-terminal peptidáz (HupD/HynD) Membrán transzport Tat-mechanizmus + HupK aktív enzim

Tn5 transzpozon mutagenezis: hypF NotI NotI mini-Tn5 cya hypF ApaI pM539 (5.3 kb) ApaI 1 kb cya: adenilát cikláz, Cya: 577 aa HypF: 806 aa

HypF- sejtek H2 -t termelnek! 700 600 500 In vivo hidorgén termelés (%) 400 300 200 100 vad Kettős mutáns hypF- Nitrogén-fixáló környezetben

HypF- = Hyn- / Hup- / Hox- HynL HupL HynS HupS Isp1 2e- PS HupC Isp2 NH4+ ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP 2e- 2e- + 2H+ N2 Nitrogenáz Xred ATP H2 ? N2áz Xred: GASH ? NADH+H+ H2 NAD+ U Hox1H 2 e- Hox1E Hox1U HoxU H F Y Hox1Y HupV 2H+ NADH++H+ Hox1F NAD+ Hox2 HupU GASH:glutation amid

HupK- sejtek H2 -t termelnek! In vivo H2 produkció (%) 20 40 60 80 100 120 140 ΔHupK ΔHyn, ΔHup ΔHypF Ezt már nem nitrogenáz gyártja!

HupK- = Hyn- / Hup- / Hox+ HynL HupL HynS HupS Isp1 2e- PS HupC Isp2 NH4+ ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP 2e- 2e- + 2H+ N2 Nitrogenáz Xred ATP H2 ? N2áz Xred: GASH ? NADH+H+ H2 NAD+ U HoxH 2 e- HoxE HoxU HoxU H F Y HoxF HoxY HupV 2H+ NADH++H+ NAD+ Hox2 HupU GASH:glutation amid

hidrogén termelés (GC egység) Megtanítottuk! 100 200 300 400 500 600 5 6 7 8 9 12 13 14 15 16 19 20 21 napok hidrogén termelés (GC egység) Nitrogenáz Hox hidrogenáz

HyVolution EU projekt Gáz elválasztás Biomassza szénhidrátok szerves savak

Hidrogén hajtott “zéro emisszió” autók

Biohidrogén termelési stratégiák 2H2O e- Fotoszintézis e- elektron hordozó O2 + 2H+ Hidrogenáz e- e- Dark fermentation Biomassza elektron hordozó 2H+ Szerves anyagok pl. toll Hidrogenáz

Tollbontás

Keratin hulladék

Sötét hidrogén termelés I. keratintartalmú hulladék biológiai bontása keratintartalmú hulladék III. gáztisztítás H2 CO2 II. hidrogéntermelés biomassza Thermococcus litoralis H2, CO2 Bacillus licheniformis oldott keratin

KÍSÉRLETI ELRENDEZÉS Toll-, szőrbontás Hidrogén termelés mezofil B. licheniformis KK1 Hidrogén termelés hipertermofil T. litoralis

1807-2007

H2 üzemanyag cellás gépjárművek

H2 üzemanyag cellás buszok Fuel cells are the key enabling technology for future transportation vehicles, providing high efficiency and high fuel economy (80 –100 mpg equivalent) and zero emissions. See also: C.E. (Sandy) Thomas, B.D. James and F.D. Lomax, Jr, Analysis of Residential Fuel Cell Systems & PNGV Fuel Cell Vehicles, in Proceedings of the 2000 Hydrogen Program Annual Review, found at http://www.eren.doe.gov/hydrogen/pdfs/28890mm.pdf

H2 hajtott légi járművek Fuel cells are the key enabling technology for future transportation vehicles, providing high efficiency and high fuel economy (80 –100 mpg equivalent) and zero emissions. See also: C.E. (Sandy) Thomas, B.D. James and F.D. Lomax, Jr, Analysis of Residential Fuel Cell Systems & PNGV Fuel Cell Vehicles, in Proceedings of the 2000 Hydrogen Program Annual Review, found at http://www.eren.doe.gov/hydrogen/pdfs/28890mm.pdf