I deras katalytiska centrum, hydrogenaser tillverkar molekylärt väte (H2) från två protoner och två elektroner. De extraherar de protoner som krävs för denna process från det omgivande vattnet och överför dem – via en transportkedja – till sin katalytiska kärna. Den exakta protonvägen genom hydrogenaset hade ännu inte förståtts. "Denna överföringsväg är en pusselbit, avgörande för att förstå samspelet mellan kofaktor och protein vilket är anledningen till att biokatalysatorer är så mycket effektivare än väteproducerande kemiska komplex, " förklarar Dr Martin Winkler, en av författarna till denna studie från forskargruppen Photobiotechnology vid RUB.

För att ta reda på vilka av hydrogenasbyggstenarna som är involverade i protonöverföring, forskarna ersatte dem individuellt. De ersatte var och en av antingen en aminosyra med liknande funktion eller med en dysfunktionell aminosyra. Således, 22 varianter av två olika hydrogenaser skapades. Senare, forskarna jämförde dessa varianter med avseende på olika aspekter, inklusive deras spektroskopiska egenskaper och deras enzymaktivitet. "De molekylära strukturerna av tolv proteinvarianter, som löstes med röntgenstrukturanalys, visat sig vara särskilt informativ, säger Winkler.

Aminosyror utan funktion stänger av hydrogenaser

Beroende på var och hur forskarna hade ändrat hydrogenaset, väteproduktionen blev mindre effektiv eller upphörde helt. "Således, vi konstaterade varför vissa varianter är allvarligt försämrade i termer av enzymaktivitet och varför andra knappast är försämrade alls – mot alla förväntningar, säger Martin Winkler.

Ju närmare det katalytiska centret de ersatta aminosyrorna var belägna, desto mindre kan hydrogenaset kompensera för dessa modifieringar. Om byggstenar utan funktion var inbäddade på känsliga platser, väteproduktionen lades ner. "Det sålunda genererade tillståndet liknar en övermättnad på grund av protonstress där protoner såväl som väte samtidigt införs i hydrogenaset, ", utarbetar Martin Winkler. "Under vårt projekts gång, vi kunde för första gången stabilisera och analysera detta mycket övergående tillstånd som vi redan hade stött på i experiment."

Värdefull baslinjeinformation

Denna studie har gjort det möjligt att tilldela enskilda aminosyrors funktioner till protonöverföringsvägen för enzymgruppen [FeFe]-hydrogenaser. "Dessutom, det ger värdefull information om den molekylära mekanismen för protonöverföring av redoxaktiva proteiner och de strukturella kraven för dessa, avslutar Thomas Happe.