Enzymer från mikroorganismer kan producera väte (H2 ) under vissa förhållanden, vilket gör dem till potentiella biokatalysatorer för biobaserad H2 tekniker. För att göra denna väteproduktion effektiv försöker forskare identifiera och eliminera möjliga begränsande faktorer. Dessa inkluderar formaldehyd, som förekommer naturligt som en metabolisk produkt i celler och hämmar det särskilt effektiva [FeFe]-hydrogenaset.
Ett team från arbetsgruppen Photobiotechnology vid Ruhr University Bochum, Tyskland, kunde klarlägga och stänga av denna underliggande mekanism. Forskarna har rapporterat sina fynd i Journal of the American Chemical Society den 20 november 2023.
Formaldehyd är bland annat känt som konserveringsmedel men förekommer även som en naturlig metabolit i levande celler. För tolv år sedan visade forskare från University of Oxford, U.K., och Ruhr University Bochum, Tyskland, att denna allestädes närvarande molekyl hämmar en viss klass av biokatalysatorer, nämligen de särskilt effektiva vätealstrande hydrogenaserna av tvåjärnstyp – s.k. [FeFe]-hydrogenaser.
"Detta var en intressant upptäckt, eftersom formaldehyd kunde hämma både det naturliga H2 metabolism av mikroorganismer och isolerade hydrogenaser i biotekniska tillämpningar," förklarar Dr Jifu Duan, första författare till studien.
Efter att olika teoretiska studier hade föreslagit hur formaldehydmolekylen kan påverka [FeFe]-hydrogenaser, har nu ett team av forskare under ledning av Duan och professor Eckhard Hofmann vid Ruhr University lyckats belysa den molekylära mekanismen experimentellt. Med hjälp av strukturer av formaldehydbehandlade [FeFe]-hydrogenaser erhållna genom proteinkristallografi kunde de visa att formaldehyd reagerar med biokatalysatorernas så kallade aktiva centrum – en oorganisk proteindel där protoner och elektroner omvandlas till H 2 .
Dessutom kombineras dock formaldehyd med en annan mycket viktig proteindel, som är nödvändig för transport av protoner till det aktiva centret med hjälp av en svavelhaltig kemisk grupp. När forskarna bytte ut denna del med en annan kunde formaldehyd knappast utöva sin hämmande effekt.
"Framtida biotekniska tillämpningar av [FeFe]-hydrogenaser kan mycket väl involvera närvaron av formaldehyd, så att våra modifierade formaldehyd-resistenta biokatalysatorer kan användas här," förklarar Duan. "Vi tror också att våra resultat kan överföras till andra biokatalysatorer." Detta kan spela en roll för biobaserade industriella processer, men också för att förstå metabola vägar i levande organismer.
Mer information: Jifu Duan et al, Insights into the Molecular Mechanism of Formaldehyde Inhibition of [FeFe]-Hydrogenases, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c07800
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av Ruhr-Universitaet-Bochum
