Wasserstoffumsetzung durch Enzym „Hydrogenase“

Direkte Erfassung der Wasserstoffumwandlungs-Produkte

Forscher des Max-Planck-Institutes für Chemische Energiekonversion (MPI CEC) berichten in nature über eine neue, ultrahoch aufgelöste Kristallstruktur des katalytisch aktiven Zustandes der [NiFe]-Hydrogenase. Wasserstoffatome werden erfasst durch sorgfältige Präparation von Einkristallen mit herausragender Qualität ausreichend für eine Auflösung im subatomaren Bereich.

Mittels der Proteinkristallographie wird nach wie am besten die atomare Struktur großer biologischer Moleküle bestimmt. Allerdings findet diese Methode dadurch ihre Grenzen, dass Wasserstoffatome nur schwer zu erfassen sind. Dabei machen sie aber etwa die Hälfte aller Atome in Proteinen aus und sind oft an wichtigen Interaktionen beteiligt. Sie zu erkennen, erfordert zwar hohe Auflösungen, ist aber von besonderer Bedeutung bei Enzymen, wie den Hydrogenasen, woWasserstoff direkt an der Reaktion beteiligt ist. CEC-Forscher zeigten nun, wie durch sorgfältige Präparation Einkristalle mit herausragender Qualität reproduzierbar erhalten werden können, ausreichend für eine Auflösung im subatomaren Bereich. Damit können die meisten Wasserstoffatome erfasst werden – sogar in der Nähe von Metallatomen. Die neu erhaltenen Informationen und Perspektiven für die Proteinkristallographie werden am  Beispiel einer Hydrogenase gezeigt.

Schematische Darstellung der [NiFe]-­Hydrogenase.  Grafik © CEC

Aufgrund der interessanten Möglichkeiten in der Biotechnologie erfreuen sich die Hydrogenasen weltweit großen Interesses bei den Energieforschern und dienen als natürliche  Modelle für biomimetische Katalysatoren zur Wasserstoffproduktion und -umsetzung.

Wer die Hydrogenasen studieren will, muss unbedingt die Wasserstoffatome in der Kristallstruktur untersuchen.  Die Forscher des MPI CEC waren nun erstmals in der Lage, die ultrahoch aufgelöste Struktur einer  [NiFe]-Hydrogenase zu erhalten, die ein außerordentlich detailliertes Bild des Enzyms in einem spezifischen katalytischen Zustand lieferte. Dieser Zustand wurde zwar bisher noch nicht beschrieben, er ist jedoch von zentraler Bedeutung für die Katalyse.  Die Analyse lieferte die Positionen der meisten Wasserstoffatome, zum Beispiel auch die exakte Position des Hydrids und des Protons, die aus der heterolytischen Wasserstoffspaltung des Enzyms hervorgehen. Die direkte Erfassung der Produkte der Wasserstoffumwandlung ist eines der wichtigen Ergebnisse dieser Veröffentlichung.

Struktur des aktiven [NiFe]-­Zentrums im Ni-­R-Zustand. Das grüne Netz zeigt die Elektronendichte der Wasserstoffatome. Grafik © CEC

Um die ultrahoch aufgelöste Struktur zu erhalten, haben die Forscher die [NiFe]-Hydrogenase aus dem Bakterium Desulfovibrio vulgaris Miyazaki F unter strikt anaeroben Bedingungen isoliert, gereinigt und kristallisiert, um jede Inaktivierung oder oxidative Schädigung des Proteins zu verhindern. Unter Schutzgas/H2-Atmosphäre wurde der Ni-R Zustand in reiner Form erhalten. Dazu nutzten sie einen Synchrotron der dritten Generation (BESSY II, Berlin) um einen Datensatz mit hoher Qualität aufzunehmen, der dann sorgfältig analysiert wurde.

[note Dieses Projekt wurde von der Max-Planck-Gesellschaft, der Deutschen Forschungsgemeinschaft als Teil des Exzellenzclusters RESOLV (EXC 1069), dem BMBF (03SF0355C) und dem EU/Energy Network project SOLAR-H2 (FP7 Vertrag 212508) gefördert.]

Publikation in Nature: “Hydrogens detected by subatomic resolution protein crystallography in a [NiFe] hydrogenase”, Hideaki Ogata, Koji Nishikawa, and Wolfgang Lubitz – Nature, doi: 10.1038/nature14110

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