Biologie

Ein molekulares Pendel für effiziente Wasserstoffbildung

Fast alle Stoffwechselprozesse benötigen Protonen – positiv geladene Wasserstoffatome. Obwohl diese in der Zellflüssigkeit reichlich vorhanden sind, brauchen die beteiligten Biokatalysatoren Mechanismen, um Protonen effizient einzufangen und sie zum Ort der Katalyse zu transportieren. Enzyme aus Mikroorganismen können Wasserstoff (H₂) herstellen, indem sie Elektronen mit Protonen kombinieren. Sogenannte Hydrogenasen sind dabei so effizient, dass ein Biokatalysator fast 10.000 Protonen pro Sekunde einfangen kann. Wie sie das machen, hat ein Team der Photobiotechnologie der Ruhr-Universität Bochum aufgeklärt. Die Forschenden berichten im Journal of the American Chemical Society vom 17. Oktober 2026.

Wie ein Hemmstoff helfen kann, Biokatalysatoren zu verstehen

Zink ist natürlicherweise in vielen Biokatalysatoren enthalten und wird dort für den Reaktionsmechanismus benötigt. Dabei bindet das Metallion an reaktive Gruppen bestimmter molekularer Bausteine der Enzyme, die Aminosäuren. „Genau durch diese Bindung kann Zink aber auch Biokatalysatoren blockieren“, erklärt Dr. Jifu Duan, Erstautor der aktuellen Arbeit. „Es kann nämlich auch unspezifisch an Stellen andocken, die für die Bindung von Protonen benötigt werden.“

Forschende der Ruhr-Universität Bochum haben untersucht, wie sich Zink auf die Wasserstoffbildung durch [FeFe]-Hydrogenasen auswirkt. Dabei machten sie eine interessante Entdeckung: „Obwohl wir anhand von Kristallstrukturen sehen konnten, dass Zink an verschiedenen Stellen der [FeFe]-Hydrogenasen bindet, führte die Interaktion an nur einer ganz bestimmten Stelle zur Hemmung“, so Jifu Duan. Diese Stelle liegt ganz in der Nähe des bisher bekannten Protonentransportweges der Hydrogenasen.

Zink blockiert ein Protonen-transportierendes Pendel

Das Team um Jifu Duan und Prof. Dr. Thomas Happe konnte zeigen, dass die Bindung von Zink und anderen Metallionen ganz bestimmte Aminosäuren blockiert, nämlich zwei Histidine auf der Oberfläche von [FeFe]-Hydrogenasen. Histidine in Enzymen sind bekannt dafür, Protonen zu binden. Ihre Rolle in [FeFe]-Hydrogenasen war aber bisher nicht untersucht worden. Wenn die Forschenden eines dieser Histidine durch eine andere Aminosäure ersetzten, war der Biokatalysator noch sehr aktiv, aber unempfindlich gegen Zink. Wenn sie jedoch das andere Histidin austauschten, konnte die [FeFe]-Hydrogenase nur noch sehr langsam Wasserstoff bilden.

Mit Hilfe verschiedener Methoden – Proteinkristallografie, Wasserstoffproduktionstests, Elektrochemie und Molekularsimulationen – konnte das Team zeigen, dass eines dieser beiden Histidine eine Art Pendel bildet. Wenn es zur Enzymoberfläche schwingt, kann es von dem anderen Histidin ein Proton entgegennehmen, und wenn es in das Enzyminnere schwingt, gibt es das Proton an einen bekannten Protonentransportpfad ab. Dabei besitzt dieses Pendel auch einen fixen Drehpunkt: eine weitere Aminosäure, die den Forschenden erst durch die genaue Analyse der Kristallstrukturen aufgefallen war.

Führte die Evolution des Protonenpendels zu besonders effizienten Hydrogenasen?

Heute kennt man viele verschiedene Gruppen von [FeFe]-Hydrogenasen. Dabei scheinen nur Mitglieder der Gruppe A die besonders hohen Umsatzraten zu leisten, die diese Biokatalysatoren auch für biotechnologische Anwendungen so spannend machen. „Wir haben auch in anderen Gruppen von [FeFe]-Hydrogenasen nach unserem Pendel gesucht, aber es scheint nur in der Gruppe A vorzukommen“, berichtet Thomas Happe. „Wir glauben, dass die beiden Histidine für ihr schnelles Einfangen von Protonen und damit für ihre hohe Aktivität verantwortlich sind.“

In der Evolution könnte dies zur Spezialisierung dieser Gruppe von Hydrogenasen geführt haben. Die Erkenntnisse können helfen, molekulare Mechanismen anderer Hydrogenasen besser zu verstehen und vielleicht besser geeignete Biokatalysatoren für biobasierte Industrieprozesse herzustellen. Aber sie sind auch wichtig für das Verständnis des H₂-Stoffwechsels in lebenden Organismen, der für viele Ökosysteme eine wichtige Rolle spielt.