Biologie Biokatalysator vor Sauerstoff schützen

Auf Wasserstoff ruhen große Hoffnungen für die Energiewende. Eine bestimmte Enzymgruppe, die in Algen und in Bakterien vorkommt, kann molekularen Wasserstoff allein durch die Katalyse von Protonen und Elektronen erzeugen. Allerdings ist die Enzymgruppe so empfindlich gegenüber Sauerstoff, dass eine wirtschaftliche Nutzung des so produzierten Wasserstoffs als grüne Energiequelle noch nicht möglich ist. Forschende des Exzellenzclusters RESOLV und des Graduiertenkollegs Microbial Substrate Conversion der Ruhr-Universität Bochum konnten die Sauerstoffstabilität eines Wasserstoff-produzierenden Enzyms durch genetisch erzeugte Kanalblockaden steigern. Die Forschenden um Prof. Dr. Thomas Happe, Leiter der Arbeitsgruppe Photobiotechnologie, Prof. Dr. Lars Schäfer, Prof. Dr. Eckhard Hofmann und Prof. Dr. Ulf-Peter Apfel berichten in der Zeitschrift ChemSusChem vom 13. Oktober 2023.

Blockierte Kanäle führen zur gesteigerten Sauerstoffstabilität

Ein Metalloenzym mit besonders hohen katalytischen Umsatzraten von molekularem Wasserstoff ist die [FeFe]-Hydrogenase. „Der Umsatz des Wasserstoffs findet am aktiven Zentrum, dem H-Cluster, im Inneren des Enzyms statt“, erklärt Thomas Happe. „Der im Inneren produzierte Wasserstoff bewegt sich durch Kanäle aus dem Enzym heraus. „Wird das Enzym hingegen molekularem Sauerstoff ausgesetzt, bewegt sich der Sauerstoff von der Enzymoberfläche bis ins Innere zum H-Cluster ebenfalls durch spezifische Kanäle“, ergänzt Erstautorin Claudia Brocks. Das H-Cluster wird bei geringstem Sauerstoffkontakt zerstört und kann keinen weiteren Wasserstoff produzieren.

Dem Bochumer Forschungsteam gelang es durch eine interdisziplinäre Methodenkombination aus ortsgerichteter Mutagenese, Elektrochemie, Röntgenkristallografie, sowie Molekulardynamik-Simulationen, die Sauerstoffstabilität des [FeFe]-Hydrogenase Enzyms CpI zu steigern und den Sauerstoffschutzeffekt aufzuklären.