Beiträge aus der Wissenschaft

Wie die Natur Biokatalysatoren vor Sauerstoff abschirmt

15.01.2025 10:49

Wie die Natur Biokatalysatoren vor Sauerstoff abschirmt

Sauerstoff kann wasserstoffproduzierende Enzyme zerstören. Forschende aus Bochum und Osaka haben herausgefunden, wie ein solches Protein in Gegenwart von Sauerstoff überlebt.

Bakterien, die unter bestimmten Bedingungen Wasserstoff (H2) herstellen, nutzen dafür unter anderem sogenannte [FeFe]-Hydrogenasen. Diese Enzyme sind die effizientesten Wasserstoff-produzierenden Biokatalysatoren. Die meisten dieser Proteine werden jedoch durch Sauerstoff zerstört, sodass sie für die Wasserstoffproduktion in großem Maßstab nur schwierig einsetzbar sind. Eine Ausnahme bildet die [FeFe]-Hydrogenase CbA5H aus dem Bakterium Clostridium beijerinckii, die auch in Gegenwart von Sauerstoff aktiv bleibt. Ihre Tricks konnte ein internationales Team aus der Arbeitsgruppe Photobiotechnologie der Ruhr-Universität Bochum und der Proteinkristallographie-Gruppe der Universität Osaka, Japan, unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas Happe und Prof. Dr. Genji Kurisu, aufdecken. Sie berichten in der Zeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) vom 13. Januar 2025.

Ein vollständiges Bild von CbA5H

Eine Studie über eine Teilstruktur des Enzyms CbA5H aus dem Jahr 2021 hatte gezeigt, dass sein aktives Zentrum durch eine nahegelegene schwefelhaltige Gruppe abgeschirmt wird. „Das hat uns eine Hypothese über den Schutzmechanismus erlaubt“, berichtet Thomas Happe. „Aber wir wissen daher noch nicht, wie das Enzym Wasserstoff produziert.“

In Zusammenarbeit mit der japanischen Gruppe haben die Bochumer Forschenden nun eine vollständige Struktur von CbA5H analysiert. Dazu nutzten sie die Kryo-Elektronenmikroskopie unter Abwesenheit von Sauerstoff. Die gewonnene Struktur zeigt, dass die abschirmende schwefelhaltige Gruppe vom aktiven Zentrum abgelöst ist und somit den wasserstoffproduzierenden Zustand von CbA5H darstellt. „Der Vergleich der Strukturen, die unter Abwesenheit beziehungsweise in Anwesenheit von Sauerstoff analysiert wurden, erlaubt uns Rückschlüsse auf die Funktionsweise und den Schutz vor Sauerstoff“, sagt Erstautor Jifu Duan.

Zink stabilisiert CbA5H

Neben den Erkenntnissen über die Funktionsweise von CbA5H und die Prinzipien des Sauerstoffschutzes liefert die vollständige Struktur auch in anderer Hinsicht wichtige Informationen: CbA5H bildet ein Homodimer, das bedeutet, zwei CbA5H-Moleküle werden zusammengefügt, um die minimale Funktionseinheit zu bilden. Das Homodimer wird durch einen Zinkionen-bindenden Teil gehalten. Das Zink-abhängige Homodimer ist deutlich stabiler als die monomere Form. Der Nachweis gelang durch eine genetische Veränderung, die zur Entfernung des Zinks führte.

„Insgesamt bietet die Studie ein sehr gutes Verständnis des Arbeitsmechanismus, der Sauerstoff-Schutzstrategie und der von der Dimerisierung abhängigen Stabilität“, so Thomas Happe. „Diese Erkenntnisse können uns bei der Entdeckung neuer Sauerstoff-resistenter [FeFe]-Hydrogenasen helfen.“

Förderung

Die Forschenden erhielten Fördermittel vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Projekts „H2-Lab“ sowie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Exzellenzstrategie – EXC2033-390677874-RESOLV und der Graduiertenschule MiCon.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Thomas Happe
Arbeitsgruppe Photobiotechnologie
Fakultät für Biologie und Biotechnologie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: +49 234 32 27026
E-Mail: thomas.happe@ruhr-uni-bochum.de

Webseite der Arbeitsgruppe: https://www.photobiotechnologie.ruhr-uni-bochum.de/

Originalpublikation:

Jifu Duan, Andreas Rutz, Akihiro Kawamoto et al.: Structural Determinants of Oxygen Resistance and Zn2+-Mediated Stability of [FeFe]-Hydrogenase from Clostridium beijerinckii, in: PNAS, 2024, DOI: 10.1073/pnas.2416233122, https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2416233122

Bilder

Thomas Happe und Eckhard Hofmann gehören zum Team, das das aktuelle Paper in der Zeitschrift PNAS ve …