Een internationaal onderzoeksteam van de Photobiotechnology Research Group aan de Ruhr-Universität Bochum (RUB) onder leiding van professor Thomas Happe en het Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS) in Marseille heeft dit unieke kenmerk kunnen doorgronden. Ze beschrijven het moleculaire mechanisme in Natuurcommunicatie op 2 februari 2021.

Enzym overleeft herhaaldelijk de aanval ongedeerd

Vertegenwoordigers van de [FeFe]-hydrogenase-enzymgroep combineren protonen en elektronen om moleculaire waterstof te vormen met bijzonder hoge omloopsnelheden. Sommigen gebruiken hiervoor zelfs zonlicht als primaire energiebron. Echter, zelfs lage zuurstofconcentraties leiden snel tot de onomkeerbare afbraak van de katalytische cofactor, het H-cluster genoemd. "Dit is tot nu toe waargenomen bij alle vertegenwoordigers van deze enzymgroep - behalve CbA5H. Dit enzym heeft een moleculair mechanisme waardoor het herhaaldelijk ongedeerd de zuurstofaanval kan overleven, ', zegt Thomas Happé.

In samenwerking met professor Eckhard Hofmann, hoofd van de Protein Crystallography-groep bij RUB, de onderzoekers ontdekten de truc van het enzym door de kristalstructuur te analyseren. "In het actieve enzym, de open substraatbindingsplaats vertegenwoordigt gewoonlijk het primaire aanvalspunt voor zuurstof, " legt Dr. Martin Winkler uit, een van de betrokken RUB-onderzoekers. In CbA5H, deze normaal toegankelijke plaats is afgeschermd onder lucht:onder oxidatieve omstandigheden de thiolgroep van een cysteïneresidu, dat al bekend stond om zijn betrokkenheid bij protonbemiddeling op de actieve plaats van [FeFe]-hydrogenasen, bindt direct aan de vrije substraatcoördinatieplaats van het katalytische 2FeH-cluster. Het toegangspunt is dus geblokkeerd voor zuurstof zolang de zuurstof uit de omgeving de redoxpotentiaal verhoogt.

Zodra zuurstof uit het omgevingsgasmengsel wordt verwijderd en de redoxpotentiaal afneemt, de thiolgroep wordt losgemaakt van de substraatbindingsplaats van de actieve plaats en het enzym hervat zijn katalytische activiteit ongedeerd. "Deze hydrogenase kan herhaaldelijk de beschermde staat aannemen, in tegenstelling tot alle andere bekende [FeFe]-hydrogenasen, " legt Thomas Happ uit.

Het verschil met andere enzymen

Het was aanvankelijk onduidelijk waarom specifiek CbA5H deze beschermende functie vertoont, terwijl andere zeer vergelijkbare [FeFe]-hydrogenasen, die ook dit cysteïneresidu op dezelfde plaats als onderdeel van de protonbemiddelingsketen leveren, missen dit belangrijke kenmerk. Een nadere inspectie van de kristalstructuur van CbA5H in de zuurstof-beschermde toestand toonde aan dat het deel van de eiwitketen dat dit cysteïne draagt, is verschoven naar de substraatbindingsplaats nabij de actieve cofactor. Vergeleken met zuurstofgevoelige [FeFe]-hydrogenasen zoals CpI van Clostridium pasteurianum, de onderzoekers van RUB konden drie kleinere aminozuren in CbA5H identificeren in de buurt van de verschoven sectie van de polypeptideketen, waardoor het meer bewegingsvrijheid heeft. Elektrochemische en infraroodspectroscopie-onderzoeken van eiwitvarianten met enkele en dubbele uitwisselingen op deze posities bevestigden het belang van deze aminozuren voor de unieke, potentieel-gecontroleerd moleculair veiligheidskapmechanisme van CbA5H.

"Zoals we nu de structurele voorwaarden van dit beschermingsmechanisme kennen, het moet mogelijk zijn om de gunstige eigenschap van zuurstofresistentie ook over te dragen van CbA5H naar andere [FeFe]-hydrogenasen, " zegt dr. Jifu Duan, een ander lid van de Photobiotechnology Research Group. “Als dit lukt, we zouden een grote stap zijn in de richting van het gebruik van [FeFe]-hydrogenasen als waterstofbiokatalysatoren, " bevestigt Thomas Happe.