Hydrogenasen kunnen waterstof net zo efficiënt omzetten als dure platinakatalysatoren. Om ze bruikbaar te maken voor biotechnologische toepassingen, onderzoekers ontcijferen tot in detail hoe ze werken. Een team van Ruhr-Universität Bochum en de Universiteit van Oxford rapporteert nu in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ) dat de overdracht van protonen en elektronen door het enzym ruimtelijk gescheiden plaatsvindt, maar is toch gekoppeld en dus, een beslissende factor voor efficiëntie. Het artikel is online gepubliceerd op 10 augustus 2020.

Meest efficiënte waterstofproducenten

De zogenaamde klasse van [FeFe]-hydrogenasen, die bijvoorbeeld voorkomen in groene algen, zijn de meest efficiënte waterstofproducenten van de natuur. Ze kunnen zowel waterstof produceren als splitsen. De eigenlijke chemische reactie vindt plaats op de actieve plaats die diep in het enzym is begraven. "De elektronen en protonen die nodig zijn voor de reactie moeten daarom een ​​efficiënte manier vinden om daar te komen, " legt Dr. Oliver Lampret van de Photobiotechnology Research Group in Bochum uit, een van de auteurs van het artikel. Elektronentransport vindt plaats via een elektrische draad, bij wijze van spreken, bestaande uit verschillende ijzer-zwavelclusters. De protonen worden naar het actieve centrum getransporteerd via een protonoverdrachtsroute bestaande uit vijf aminozuren en één watermolecuul.

"Hoewel het bekend was dat er een proton-gekoppeld elektronoverdrachtmechanisme was, onderzoekers gingen er tot nu toe van uit dat de koppeling alleen plaatsvindt in het actieve centrum zelf, " zegt professor Thomas Happe, Hoofd van de onderzoeksgroep fotobiotechnologie.

Eiwitengineering maakt koppeling zichtbaar

Het team manipuleerde de hydrogenasen op zo'n manier dat de overdracht van protonen aanzienlijk langzamer was, maar waterstof kon nog steeds worden omgezet. Met behulp van dynamische elektrochemie, ze toonden aan dat de waterstofconversie aanzienlijk afnam en nog belangrijker, significante overpotentialen waren nodig om de productie of splitsing van waterstof te katalyseren. Door de protonoverdrachtsroute te manipuleren, de onderzoekers hadden indirect de snelheid van elektronenoverdracht verlaagd.

"Omdat de twee overdrachtsroutes ruimtelijk gescheiden zijn, we nemen aan dat een coöperatieve langeafstandskoppeling van beide processen nodig is voor efficiënte katalyse, " concludeert Oliver Lampret. De bevindingen moeten helpen om in de toekomst efficiëntere geminiaturiseerde hydrogenase-katalysatoren te ontwikkelen.