Forskare vid Ruhr-Universität Bochum och Freie Universität Berlin har klargjort det avgörande katalytiska steget i produktionen av väte med enzymer. Enzymerna, kallas [FeFe] -hydrogenaser, effektivt förvandla elektroner och protoner till väte. De är således en kandidat för den biotekniska produktionen av den potentiella energikällan. "För att producera väte i industriell skala med hjälp av enzymer, vi måste exakt förstå hur de fungerar, "säger professor Thomas Happe, en av författarna till studien.

Teamet som leds av Happe och Dr. Martin Winkler från Bochum-baserade fotobiotekniska arbetsgruppen rapporterar om resultaten med Berlin-baserade kollegor under ledning av Dr Sven Stripp i tidskriften Naturkommunikation .

Enzym fungerar i två riktningar

Hydrogenaser kan arbeta i två riktningar:de förvandlar protoner och elektroner till väte, och också dela väte i protoner och elektroner. Dessa reaktioner äger rum i det aktiva centrumet av hydrogenaset, som är en komplex struktur bestående av sex järn- och sex svavelatomer, kallas H-klustret. Under den katalytiska processen, detta kluster passerar genom många mellanliggande tillstånd.

När molekylärt väte (H2) delas, vätemolekylen binder initialt till H-klustret. "Hydrogenasforskare var alltid övertygade om att H2 måste dela sig ojämnt i reaktionens första steg, "förklarar Martin Winkler. Idén:En positivt laddad proton (H+) och en negativt laddad hydridjon (H-) skapas, som sedan fortsätter att reagera snabbt för att bilda två protoner och två elektroner. "Hydridtillståndet för det aktiva enzymet, i vilken hydridjonen således är bunden till det aktiva centrumet, är mycket instabil - än så länge har ingen kunnat verifiera detta, "säger Winkler. Det är just detta forskarna nu har åstadkommit.

Trick gör det instabila tillståndet synligt

Med hjälp av ett trick, de förstärkte H-klustillståndet med hydridjonen, så att det kunde verifieras spektroskopiskt. När väte delas, en kemisk jämvikt uppnås mellan de inblandade reaktionspartnerna - protoner, hydridjoner och vätemolekyler. Koncentrationerna av de tre vätestillstånden bestäms av en dynamisk jämvikt av katalytiska H-klustertillstånd. När forskarna tillsatte stora mängder protoner och väte till blandningen utifrån, de tippade balansen - till förmån för hydridtillståndet. Det aktiva centrumet med den negativt laddade hydridjonen ackumulerad i en större mängd; tillräckligt för att vara mätbar.

Teamet visade också hydridens mellanliggande tillstånd, som också sker under väteproduktion, i ytterligare experiment med hydrogenaser som hade förändrats på ett specifikt sätt.

"Vi kunde därmed demonstrera den katalytiska principen för dessa hydrogenaser i ett experiment för första gången, "sammanfattar Thomas Happe." Detta ger en avgörande grund för att återge den mycket effektiva katalytiska mekanismen för H-klustret för industriell produktion av väte. "Enzymerna kan omvandla upp till 10, 000 vätemolekyler per sekund.