Enzymen van micro-organismen kunnen waterstof produceren (H₂ ) onder bepaalde omstandigheden, waardoor ze potentiële biokatalysatoren zijn voor biobased H₂ technologieën. Om deze waterstofproductie efficiënt te maken, proberen onderzoekers mogelijke beperkende factoren te identificeren en te elimineren. Daartoe behoort formaldehyde, dat van nature als stofwisselingsproduct in cellen voorkomt en de bijzonder efficiënte [FeFe]-hydrogenase remt.

Een team van de werkgroep Fotobiotechnologie van de Ruhr Universiteit Bochum, Duitsland, kon dit onderliggende mechanisme ophelderen en uitschakelen. De onderzoekers hebben hun bevindingen gerapporteerd in het Journal of the American Chemical Society op 20 november 2023.

Formaldehyde staat onder meer bekend als conserveermiddel, maar komt ook als natuurlijke metaboliet voor in levende cellen. Twaalf jaar geleden hebben wetenschappers van de Universiteit van Oxford, Verenigd Koninkrijk, en de Ruhr Universiteit van Bochum, Duitsland aangetoond dat dit alomtegenwoordige molecuul een bepaalde klasse van biokatalysatoren remt, namelijk de bijzonder efficiënte waterstofgenererende waterstofasen van het twee-ijzer-type – de zogenaamde [FeFe]-hydrogenasen.

"Dit was een interessante ontdekking, omdat formaldehyde zowel de natuurlijke H₂ kon remmen metabolisme van micro-organismen en geïsoleerde hydrogenasen in biotechnologische toepassingen”, legt Dr. Jifu Duan, eerste auteur van het onderzoek, uit.

Nadat verschillende theoretische studies hadden verondersteld hoe het formaldehydemolecuul [FeFe]-hydrogenasen zou kunnen beïnvloeden, is een team van onderzoekers onder leiding van Duan en professor Eckhard Hofmann van de Ruhr Universiteit er nu in geslaagd het moleculaire mechanisme experimenteel op te helderen. Met behulp van structuren van met formaldehyde behandelde [FeFe]-hydrogenasen, verkregen door eiwitkristallografie, konden ze aantonen dat formaldehyde reageert met het zogenaamde actieve centrum van de biokatalysatoren:een anorganisch eiwitdeel waar protonen en elektronen worden omgezet in H ₂ .

Daarnaast combineert formaldehyde zich echter met een ander zeer belangrijk eiwitdeel, dat nodig is voor het transport van protonen naar het actieve centrum door middel van een zwavelhoudende chemische groep. Toen de wetenschappers dit onderdeel door een ander vervingen, kon formaldehyde nauwelijks zijn remmende werking uitoefenen.

"Toekomstige biotechnologische toepassingen van [FeFe]-hydrogenasen kunnen de aanwezigheid van formaldehyde met zich meebrengen, zodat onze gemodificeerde formaldehyde-resistente biokatalysatoren hier kunnen worden gebruikt", legt Duan uit. "Wij geloven ook dat onze bevindingen kunnen worden overgedragen naar andere biokatalysatoren." Dit zou een rol kunnen spelen voor biogebaseerde industriële processen, maar ook voor het begrijpen van metabolische routes in levende organismen.

Meer informatie: Jifu Duan et al, Inzichten in het moleculaire mechanisme van formaldehyde-inhibitie van [FeFe]-hydrogenasen, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c07800

Journaalinformatie: Journaal van de American Chemical Society

Aangeboden door Ruhr-Universitaet-Bochum