Ett internationellt forskargrupp från Photobiotechnology Research Group vid Ruhr-Universität Bochum (RUB) under ledning av professor Thomas Happe och Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS) i Marseille har kunnat komma till botten med denna unika egenskap. De beskriver den molekylära mekanismen i Naturkommunikation den 2 februari 2021.

Enzyme överlever attacken upprepade gånger oskadd

Representanter för enzymgruppen [FeFe]-hydrogenas kombinerar protoner och elektroner för att bilda molekylärt väte med särskilt höga omsättningshastigheter. Vissa av dem använder till och med solljus som en primär energikälla för detta. Dock, även låga syrekoncentrationer leder snabbt till den irreversibla nedbrytningen av den katalytiska kofaktorn, kallas H-klustret. "Detta har hittills observerats hos alla representanter för denna enzymgrupp — förutom CbA5H. Detta enzym har en molekylär mekanism som gör att det upprepade gånger kan överleva syreattacken oskadd, säger Thomas Happe.

I samarbete med professor Eckhard Hofmann, chef för proteinkristallografigruppen vid RUB, forskarna upptäckte enzymets trick genom att analysera dess kristallstruktur. "I det aktiva enzymet, det öppna substratets bindningsställe representerar vanligtvis den primära attackpunkten för syre, "förklarar Dr. Martin Winkler, en av de inblandade RUB-forskarna. I CbA5H, denna normalt tillgängliga plats är avskärmad under luft:Under oxidativa förhållanden tiolgruppen i en cysteinrest, som redan var känd för sitt engagemang i protonmediering vid det aktiva stället för [FeFe]-hydrogenaser, binder direkt till det fria substratkoordinationsstället i det katalytiska 2FeH-klustret. Åtkomstpunkten är alltså blockerad för syre så länge det omgivande syret ökar redoxpotentialen.

Så snart syre avlägsnas från den omgivande gasblandningen och redoxpotentialen minskar, tiolgruppen lösgörs från det aktiva ställets substratbindningsställe och enzymet återupptar sin katalytiska aktivitet oskadd. "Detta hydrogenas kan anta det skyddade tillståndet upprepade gånger, till skillnad från alla andra kända [FeFe]-hydrogenaser, " förklarar Thomas Happe.

Skillnaden från andra enzymer

Det var från början oklart varför just CbA5H uppvisar denna skyddande funktion, medan andra mycket liknande [FeFe] -hydrogenaser, som också tillhandahåller denna cysteinrest på samma plats som en del av protonmedieringskedjan saknar denna viktiga egenskap. En närmare granskning av kristallstrukturen för CbA5H i det syre-skyddade tillståndet visade att delen av proteinkedjan som bär denna cystein förskjuts mot substratbindningsstället nära den aktiva kofaktorn. Jämfört med syrekänsliga [FeFe]-hydrogenaser som CpI från Clostridium pasteurianum, forskarna vid RUB kunde identifiera tre mindre aminosyror i CbA5H nära den skiftade delen av polypeptidkedjan, som ger den större rörelsefrihet. Elektrokemiska och infraröda spektroskopiundersökningar av proteinvarianter med enkla och dubbla utbyten i dessa positioner bekräftade betydelsen av dessa aminosyror för den unika, potentialkontrollerad mekanism för molekylär säkerhetslock för CbA5H.

"Som vi nu känner till de strukturella förhållandena för denna skyddsmekanism, det borde vara möjligt att också överföra den fördelaktiga egenskapen syreresistens från CbA5H till andra [FeFe]-hydrogenaser, " säger Dr Jifu Duan, en annan medlem i Photobiotechnology Research Group. "Om detta lyckas, vi skulle vara ett stort steg mot att använda [FeFe]-hydrogenaser som vätebiokatalysatorer, " bekräftar Thomas Happe.