In hun katalytische centrum, hydrogenasen produceren moleculaire waterstof (H2) uit twee protonen en twee elektronen. Ze halen de voor dit proces benodigde protonen uit het omringende water en brengen ze – via een transportketen – over in hun katalytische kern. De exacte protonroute door de hydrogenase was nog niet begrepen. "Dit overdrachtstraject is een puzzelstukje, cruciaal voor het begrijpen van het samenspel van cofactor en eiwit, wat de reden is waarom biokatalysatoren zoveel efficiënter zijn dan waterstofproducerende chemische complexen, " legt Dr. Martin Winkler uit, een van de auteurs van deze studie van de onderzoeksgroep Photobiotechnology aan de RUB.

Om erachter te komen welke van de hydrogenase-bouwstenen betrokken zijn bij protonoverdracht, de onderzoekers hebben ze individueel vervangen. Ze vervingen elk ofwel door een aminozuur met een vergelijkbare functie of door een disfunctioneel aminozuur. Dus, Er werden 22 varianten van twee verschillende hydrogenasen gemaakt. Vervolgens, de onderzoekers vergeleken die varianten op verschillende aspecten, inclusief hun spectroscopische eigenschappen en hun enzymactiviteit. "De moleculaire structuren van twaalf eiwitvarianten, die werden opgelost met behulp van röntgenstructuuranalyse, bleek bijzonder informatief, ' zegt Winkler.

Aminozuren zonder functie sluiten hydrogenasen af

Afhankelijk van waar en hoe de onderzoekers de hydrogenase hadden veranderd, waterstofproductie werd minder efficiënt of stopte helemaal. "Dus, we hebben nagegaan waarom sommige varianten ernstig zijn aangetast in termen van enzymactiviteit en waarom andere nauwelijks zijn aangetast - tegen alle verwachtingen in, ’ zegt Martin Winkler.

Hoe dichter bij het katalytische centrum de vervangen aminozuren zich bevonden, hoe minder goed de hydrogenase in staat was om deze modificaties te compenseren. Als bouwstenen zonder functie zouden worden ingebed op gevoelige locaties, waterstofproductie werd stilgelegd. "De aldus gegenereerde toestand lijkt op een oververzadiging als gevolg van protonstress waarbij zowel protonen als waterstof gelijktijdig in de hydrogenase worden geïntroduceerd, ", legt Martin Winkler uit. "In de loop van ons project, we waren voor het eerst in staat om deze zeer voorbijgaande toestand die we al in experimenten waren tegengekomen, te stabiliseren en te analyseren."

Waardevolle basisinformatie

Deze studie heeft het mogelijk gemaakt om de functies van individuele aminozuren toe te wijzen aan de protonoverdrachtroute voor de enzymgroep van [FeFe]-hydrogenasen. "Bovendien, het biedt waardevolle informatie over het moleculaire mechanisme van protonoverdracht door redox-actieve eiwitten en de structurele vereisten daarvoor, ’ besluit Thomas Happe.