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Wasserstoff-produzierende Enzyme gelten als Hoffnungsträger der Biowasserstoff-Forschung. Allerdings sind sie so anfällig gegen Luftsauerstoff, dass sie bisher nicht in größerem Maßstab eingesetzt werden können. Die erst vor Kurzem entdeckte [FeFe]-Hydrogenase CbA5H aus dem Bakterium Clostridium beijerinckii widersteht dem Sauerstoff-Angriff. Wie sie das macht, konnte ein internationales Forschungsteam der Arbeitsgruppe Photobiotechnologie der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und des Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS) in Marseille unter Leitung von Prof. Dr. Thomas Happe ergründen.
Den molekularen Mechanismus beschreiben sie in Nature Communications vom 2. Februar 2021.
Enzym übersteht den Angriff mehrmals unbeschadet
Vertreter der Enzymgruppe der [FeFe]-Hydrogenasen kombinieren mit besonders hohen Umsatzraten Protonen und Elektronen zu molekularem Wasserstoff. Manche von ihnen nutzen hierfür sogar Sonnenlicht als Primärenergiequelle. Allerdings führen schon geringe Sauerstoffkonzentrationen rasch zum irreversiblen Abbau des katalytischen Kofaktors, des sogenannten H-Clusters. „Dies war bislang bei sämtlichen Vertretern dieser Enzymgruppe zu beobachten – außer bei CbA5H. Dieses Enzym verfügt über einen molekularen Mechanismus, der es ihm erlaubt, den Angriff von Sauerstoff wiederholt unbeschadet zu überstehen“, so Thomas Happe.
In Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Eckhard Hofmann, dem Leiter der Arbeitsgruppe Proteinkristallographie der RUB, kamen die Forscherinnen und Forscher dem Trick des Enzyms durch die Analyse seiner Kristallstruktur auf die Spur. „Im umsatzbereiten, aktiven Enzym bildet die offene Substratbindestelle üblicherweise den primären Angriffspunkt für Sauerstoff“, erläutert Dr. Martin Winkler, einer der beteiligten RUB-Wissenschaftler. Bei CbA5H wird diese normalerweise offene Stelle abgeschirmt: Die Thiolgruppe einer Cysteingruppe, die bereits für ihre Beteiligung an der Protonenvermittlung zum aktiven Zentrum von [FeFe]-Hydrogenasen bekannt war, bindet direkt an die freie Substrat-Koordinationsstelle des katalytischen 2FeH-Clusters. So ist der Zugang für Sauerstoff blockiert, solange der Umgebungssauerstoff für ein erhöhtes Redoxpotenzial sorgt.
Entfernt man den Sauerstoffanteil aus dem umgebenden Gasgemisch und senkt das Redoxpotenzial, löst sich die Thiolgruppe von der Substratbindestelle des aktiven Zentrums, und das Enzym nimmt seine Katalysetätigkeit unbeschadet wieder auf. „Diesen geschützten Zustand kann die Hydrogenase im Gegensatz zu allen anderen bekannten [FeFe]-Hydrogenasen wiederholt einnehmen“, so Thomas Happe.
Der Unterschied zu anderen Enzymen
Unklar war zunächst, warum speziell CbA5H diese Schutzfunktion aufweist, andere, zum Teil auch sehr ähnliche [FeFe]-Hydrogenasen, die ebenfalls an gleicher Stelle ein solches Cystein als Teil der Protonenvermittlungskette aufweisen, jedoch nicht. Eine genauere Betrachtung der Kristallstruktur von CbA5H zeigte, dass hier ein Proteinkettenabschnitt nahe dem aktiven Kofaktor im sauerstoffgeschützten Zustand in Richtung der Substratbindestelle verlagert ist. Die Forschenden der RUB konnten bei CbA5H verglichen zu sauerstoffsensiblen [FeFe]-Hydrogenasen wie CpI aus Clostridium pasteurianum drei kleinere Aminosäuren um den Polypeptidkettenabschnitt herum identifizieren, die diesem eine größere Bewegungsfreiheit einräumen. Elektrochemische und Infrarot-spektroskopische Untersuchungen von Proteinvarianten mit Einzel- und Doppel-Austauschen an diesen Positionen belegten die Bedeutung dieser Aminosäuren für den einzigartigen und potenzialgesteuerten molekularen Schutzkappen-Mechanismus von CbA5H.
„Da wir die strukturellen Voraussetzungen dieses Schutzmechanismus nun kennen, sollte es möglich sein, die vorteilhafte Eigenschaft der Sauerstoffresistenz von CbA5H auch auf andere [FeFe]-Hydrogenasen zu übertragen“, meint Dr. Jifu Duan, ein weiterer Mitarbeiter der Bochumer Arbeitsgruppe. „Wenn dies gelänge, wären wir einen wesentlichen Schritt weiter in Richtung Anwendung von [FeFe]-Hydrogenasen als Wasserstoffbiokatalysatoren“, bestätigt Thomas Happe.
Förderung
Die Arbeiten wurden unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation Resolv (EXC 2033, Projektnummer 390677874) und des Graduiertenkollegs RTG 2341 (microbial substrate conversion).
Originalveröffentlichung
Martin Winkler, Jifu Duan et al.: A safety cap protects hydrogenase from oxygen attack, in: Nature Communications, 2021, DOI: 10.1038/s41467-020-20861-2, https://www.nature.com/articles/s41467-020-20861-2
Pressekontakt
Prof. Dr. Thomas Happe
Photobiotechnologie
Fakultät für Biologie und Biotechnologie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: +49 234 32 27026
E-Mail: thomas.happe@rub.de
Prof. Dr. Thomas Happe
Photobiotechnologie
Fakultät für Biologie und Biotechnologie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: +49 234 32 27026
E-Mail: thomas.happe@rub.de
Martin Winkler, Jifu Duan et al.: A safety cap protects hydrogenase from oxygen attack, in: Nature Communications, 2021, DOI: 10.1038/s41467-020-20861-2, https://www.nature.com/articles/s41467-020-20861-2
Criteria of this press release:
Journalists
Biology
transregional, national
Research results
German
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