Auf dem Weg zur großtechnischen Nutzung von Hydrogenasen zur Wasserstoffproduktion

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über einen besonderen Eisen-Schwefel-Kern (der so genannte H-Kluster), an dem die Bildung von Wasserstoffgas mit extrem hoher Geschwindigkeit katalysiert wird. Der H-Kluster besteht aus einem Kern aus vier Eisen- und vier Schwefelatomen (4Fe-4S-Kern), der über eine Schwefelverbindung an ein weiteres Kluster mit zwei Eisen- und zwei Schwefelatomen (2Fe-2S-Kluster) gebunden ist. Dieses Subkluster besitzt ungewöhnliche Kohlenstoffmonoxid- und Cyanid-Liganden und ist der Bindungsort für den Wasserstoff.

Inaktivierung der Hydrogenase durch Sauerstoff

„Da es für die Nutzung der Hydrogenasen als biologische Katalysatoren zur Produktion von Wasserstoff gilt, ihre extreme Sauerstoffempfindlichkeit zu überwinden, fragen wir uns: Warum werden alle Hydrogenasen so schnell und irreversibel durch Luftsauerstoff inaktiviert?“, erklärt Prof. Happe. In enger Zusammenarbeit mit Kollegen aus Oxford und Berlin gelang es ihm und seinem Doktoranden Sven Stripp nun, den Mechanismus der Inaktivierung der Enzyme auf atomarer Ebene aufzuklären. Mit Hilfe biophysikalischer Methoden wie Proteinfilm-Elektrochemie und Röntgenabsorptionsspektroskopie fanden die Forscher heraus, dass das Sauerstoff-Molekül genau wie das eigentliche Substrat, der Wasserstoff, an das 2Fe-2S-Kluster gebunden wird. Allerdings geht die zerstörerische Wirkung des Sauerstoff-Moleküls offenbar nicht direkt von seiner Bindung an dieses Kluster aus. Vielmehr konnten die Forscher zeigen, dass das weiter entfernte 4Fe-4S-Cluster kurz nach der Bindung des O2-Moleküls nicht mehr nachweisbar ist, also zerstört wird. Die Wissenschaftler postulieren, dass durch eine Übertragung von Elektronen auf den gebundenen Sauerstoff, aggressive reaktive Sauerstoffvarianten entstehen, die dann in einer zweiten Reaktion Teile des 4Fe-4S-Kluster attackieren, dem bis dato keine Relevanz für die Sauerstoffsensitivität der Hydrogenasen zugeschrieben wurde.

Hochdurchsatz-Roboter-Technologie hilft bei der Suche

Diese Entdeckung ebnet den Weg für eine gezielte Modifikation der Hydrogenase, die sie gegenüber Luftsauerstoff unempfindlicher machen soll. „Wir arbeiten an einem viel versprechenden Ansatz, der die Prinzipien der „gerichteten Evolution“ und des „Rationalen Protein Designs“ kombiniert“, so Prof. Happe. Die hierbei erzeugten Enzymvarianten werden mit einem einfachen Screening-Verfahren auf erhöhte Sauerstoff-Toleranz getestet. Auf das Arbeitsprogramm zugeschnitten wird weltweit erstmals unter Sauerstoffabschluss ein Roboter-System installiert, das sowohl ein effizientes Screening der Enzymbibliotheken ermöglicht, als auch eine automatisierte Anzucht und Analyse von Kristallen sauerstoffsensibler Proteine gewährleistet, welche für die Strukturaufklärung der neuen Enzyme notwendig sind.

Originalveröffentlichungen

Sven T. Stripp, Gabrielle Goldet, Caterina Brandmayr, Oliver Sanganas, Kylie A. Vincent, Michael Haumann, Fraser A. Armstrong and Thomas Happe: How oxygen attacks [FeFe] hydrogenases from photosynthetic organisms. In: PNAS 2009 106:17331-17336; published online before print September 28, 2009, doi:10.1073/pnas.0905343106

Gabrielle Goldet, Caterina Brandmayr, Sven T. Stripp, Thomas Happe, Christine Cavazza, Juan C. Fontecilla-Camps and Fraser A. Armstrong: Electrochemical Kinetic Investigations of the Reactions of [FeFe]-Hydrogenases with Carbon Monoxide and Oxygen: Comparing the Importance of Gas Tunnels and Active-Site Electronic/Redox Effects. In: J. Am. Chem. Soc., 2009, 131 (41), pp 14979–14989 DOI: 10.1021/ja905388j

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