Enzyme aus Mikroorganismen können unter bestimmten Bedingungen Wasserstoff (H2) herstellen, was sie zu möglichen Biokatalysatoren für biobasierte H2-Technologien macht. Um diese Wasserstoffproduktion effizient zu gestalten, versuchen Forschende, mögliche limitierende Faktoren herauszufinden und auszuschalten. Dazu gehört Formaldehyd, das als natürliches Stoffwechselprodukt in Zellen vorkommt und die besonders leistungsfähige [FeFe]-Hydrogenase hemmt. Den zugrunde liegenden Mechanismus konnte ein Team der Photobiotechnologie der Ruhr-Universität Bochum aufklären und ausschalten. Die Forschenden berichten im Journal of the American Chemical Society vom 20. November 2023.
Wie ein Konservierungsmittel H2-bildende Biokatalysatoren beeinflusst
Formaldehyd ist unter anderem als Konservierungsmittel bekannt, aber es kommt auch als natürliches Stoffwechselprodukt in lebenden Zellen vor. Vor zwölf Jahren konnten Wissenschaftler*innen der Universität Oxford, Großbritannien, und der Ruhr-Universität Bochum bereits zeigen, dass dieses weit verbreitete Molekül eine besondere Klasse von Biokatalysatoren hemmt: die besonders effizienten Wasserstoff-bildenden Hydrogenasen des Zwei-Eisen-Typs, sogenannte [FeFe]-Hydrogenasen. „Das war eine interessante Entdeckung, da Formaldehyd sowohl den natürlichen H2-Stoffwechsel von Mikroorganismen als auch isolierte Hydrogenasen in biotechnologischen Anwendungen hemmen könnte“, so Dr. Jifu Duan, Erstautor der aktuellen Arbeit.
Molekularer Mechanismus der Formaldehyd-Vergiftung aufgeklärt
Nachdem verschiedene theoretische Studien Hypothesen aufgestellt hatten, wie das Formaldehyd-Molekül auf die [FeFe]-Hydrogenasen wirken könnte, ist es dem Team um Jifu Duan und Prof. Dr. Eckhard Hofmann gelungen, den molekularen Mechanismus experimentell aufzuklären. Anhand von Strukturen von mit Formaldehyd behandelten [FeFe]-Hydrogenasen, die durch Protein-Kristallografie gewonnen wurden, konnten sie zeigen, dass Formaldehyd mit dem aktiven Zentrum der Biokatalysatoren reagiert – einem anorganischen Proteinteil, an welchem Protonen und Elektronen zu Wasserstoff umgesetzt werden.
Darüber hinaus aber verbindet sich Formaldehyd mit einem weiteren wichtigen Proteinanteil, der mittels einer schwefelhaltigen chemischen Gruppe für den Transport der Protonen zum aktiven Zentrum hin nötig ist. Wenn die Wissenschaftler*innen diesen Teil durch einen anderen ersetzten, konnte Formaldehyd seine hemmende Wirkung kaum noch entfalten.
Die neuen Erkenntnisse könnten für H2-Technologien eine Rolle spielen
„Zukünftige biotechnologische Anwendungen von [FeFe]-Hydrogenasen könnten durchaus die Anwesenheit von Formaldehyd beinhalten, sodass unsere veränderten, Formaldehyd-resistenten Biokatalysatoren hier zum Einsatz kommen könnten“, erklärt Jifu Duan. „Wir glauben auch, dass unsere Erkenntnisse auf andere Biokatalysatoren übertragen werden können.“ Dies könnte für biobasierte Industrieprozesse eine Rolle spielen, aber auch für das Verständnis von Stoffwechselwegen in lebenden Organismen.
Förderung
Die Arbeiten wurden unterstützt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen individueller Förderung und des Graduiertenkollegs MiCon.
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