Hydrogenaser kan omvandla väte lika effektivt som dyra platinakatalysatorer. För att göra dem användbara för biotekniska tillämpningar, forskare håller på att dechiffrera hur de fungerar i detalj. Ett team från Ruhr-Universität Bochum och University of Oxford rapporterar nu i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) att överföringen av protoner och elektroner av enzymet sker rumsligt separerade, men är ändå kopplad och därmed, en avgörande faktor för effektiviteten. Artikeln publicerades online den 10 augusti 2020.

Mest effektiva väteproducenter

Den så kallade klassen av [FeFe]-hydrogenaser, som till exempel finns i grönalger, är naturens mest effektiva väteproducenter. De kan både producera och dela väte. Den faktiska kemiska reaktionen äger rum på den aktiva plats begravd djupt inne i enzymet. "De elektroner och protoner som krävs för reaktionen måste därför hitta ett effektivt sätt att ta sig dit, " förklarar Dr Oliver Lampret från Photobiotechnology Research Group i Bochum, en av författarna till tidningen. Elektrontransport sker via en elektrisk tråd, så att säga, bestående av flera järn-svavelkluster. Protonerna transporteras till det aktiva centret via en protonöverföringsväg som består av fem aminosyror och en vattenmolekyl.

"Även om det var känt att det fanns en protonkopplad elektronöverföringsmekanism, forskare hade hittills antagit att kopplingen endast sker vid själva det aktiva centret, säger professor Thomas Happe, Chef för Photobiotechnology Research Group.

Proteinteknik gör kopplingen synlig

Teamet manipulerade hydrogenaserna på ett sådant sätt att protonöverföringen var betydligt långsammare, men väte kunde fortfarande omvandlas. Med hjälp av dynamisk elektrokemi, de visade att väteomvandlingen minskade betydligt och ännu viktigare, betydande överpotentialer behövdes för att katalysera produktionen eller klyvningen av väte. Genom att manipulera protonöverföringsvägen, forskarna hade indirekt minskat hastigheten för elektronöverföring.

"Eftersom de två överföringsvägarna är rumsligt åtskilda, vi antar att en samverkande långvägskoppling av båda processerna är nödvändig för effektiv katalys, " avslutar Oliver Lampret. Resultaten bör bidra till att utveckla mer effektiva miniatyriserade hydrogenaskatalysatorer i framtiden.