18.08.2020 - Ruhr-Universität Bochum

Neue Art von Teamwork in Wasserstoff produzierendem Enzym entdeckt

Erkenntnisse sollen dazu beitragen, in Zukunft effizientere miniaturisierte Hydrogenasen-Katalysatoren zu entwickeln

Der Transport von Protonen und der Transport von Elektronen in Hydrogenase-Enzymen wurden bislang getrennt voneinander betrachtet. Dabei ist die Kopplung der Schlüssel zum Erfolg.

Hydrogenasen können Wasserstoff genauso effizient umsetzen wie teure Platinkatalysatoren. Um sie für biotechnologische Anwendungen nutzbar zu machen, entschlüsseln Forscher ihre Funktionsweise im Detail. Ein Team der Ruhr-Universität Bochum und University of Oxford berichtet nun in der Zeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“, kurz PNAS, dass der Transfer von Protonen und Elektronen durch das Enzym zwar räumlich getrennt stattfindet, aber dennoch gekoppelt und für die Effizienz entscheidend ist.

Effizienteste Wasserstoffproduzenten

Die sogenannten [FeFe]-Hydrogenasen, die zum Beispiel in Grünalgen vorkommen, sind die effizientesten Wasserstoffproduzenten der Natur. Sie können sowohl Wasserstoff katalytisch herstellen als auch Wasserstoff spalten. Die eigentliche chemische Reaktion findet am aktiven Zentrum tief im Inneren des Enzyms statt. „Die für die Reaktion erforderlichen Elektronen und Protonen müssen also einen effizienten Weg dorthin finden“, erklärt Dr. Oliver Lampret aus der Bochumer Arbeitgruppe Photobiotechnologie, Erstautor des Papers. Der Elektronentransport erfolgt dabei sozusagen über einen elektrischen Draht, der aus mehreren Eisen-Schwefel-Clustern besteht. Die Protonen werden über einen Protonentransferpfad, bestehend aus fünf Aminosäuren und einem Wassermolekül, zum aktiven Zentrum befördert.

„Es war zwar bekannt, dass es einen Protonen-gekoppelten Elektronentransfer-Mechanismus gibt, aber bislang hatten Forscher angenommen, dass die Kopplung erst am aktiven Zentrum selbst stattfindet“, sagt Prof. Dr. Thomas Happe, Leiter der Arbeitsgruppe Photobiotechnologie.

Protein Engineering macht Kopplung sichtbar

Das Team manipulierte die Hydrogenasen so, dass der Protonentransfer deutlich langsamer wurde, aber immer noch Wasserstoff umgesetzt werden konnte. Mit dynamischer Elektrochemie zeigten sie, dass der Wasserstoffumsatz dadurch deutlich abnahm und außerdem Überspannungen nötig waren, um die Produktion oder Zerlegung von Wasserstoff zu katalysieren. Durch Manipulation des Protonentransferpfades hatten die Forscher indirekt die Rate des Elektrontransfers vermindert.

„Da die zwei Transferwege räumlich voneinander getrennt sind, gehen wir davon aus, dass eine kooperative Langstreckenkopplung beider Prozesse für eine effiziente Katalyse nötig ist“, resümiert Oliver Lampret. Die Erkenntnisse sollen dazu beitragen, in Zukunft effizientere miniaturisierte Hydrogenasen-Katalysatoren zu entwickeln.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Hydrogenasen
  • Enzyme
  • Protonen-Transport
  • [FeFe]-Hydrogenasen
Mehr über RUB
  • News

    Von der Natur inspirierte Oberflächen aus dem 3D-Drucker

    Mittels Laserstrahlung können Forschende winzige Strukturen mit höchster Präzision drucken. Eine Methode, um die Superkräfte von Tieren und Pflanzen nachzuahmen und sie für die Technik zugänglich zu machen. Um auch in extremen Habitaten überleben zu können, haben viele Tiere und Pflanzen im ... mehr

    Plastikbudget: Menschen müssen Plastikemissionen um das 6 bis 7-fache reduzieren

    Wenn Kunststoffe in die Umwelt gelangen, bringt das viele negative Auswirkungen mit sich: Diese reichen von erstickenden Lebewesen über den Transfer innerhalb der Nahrungskette bis zu den physikalischen Auswirkungen auf ein Ökosystem. Hinzu kommen Gefahren durch Freisetzung von Additiven, M ... mehr

    Kupfer wirkt effektiv gegen Sars-Cov-2 auf Oberflächen – Silber nicht

    Kupfer und Silber sind für ihre antibakteriellen Eigenschaften bekannt. Bochumer Forschende haben untersucht, was sie gegen Viren ausrichten. Silber- und Kupferionen machen vielen Krankheitserregern den Garaus. Daher werden zum Beispiel Implantate oder medizinische Instrumente mit diesen Me ... mehr

  • q&more Artikel

    Maßgeschneiderte Liganden eröffnen neue Reaktionswege

    Zum ersten Mal konnte ein effizienter Katalysator für die palladiumkatalysierten C–C-Bindungs-knüpfungen zwischen Arylchloriden und Alkyllithium-Verbindungen gefunden werden. Diese Reaktion ermöglicht einfachere Synthesewege für wichtige Produkte. mehr

    Mit Licht und Strom dem Schicksal einzelner Nanopartikel auf der Spur

    Die Kombination aus Dunkelfeldmikroskopie und Elektrochemie macht einzelne Nanopartikel in flüssigem Medium sichtbar. Hiermit kann die Aktivität von Katalysatoren während ihrer Anwendung ermittelt werden. mehr

    Vibrationsspektroskopie - Labelfreies Imaging

    Spektroskopische Methoden erlauben heute mit bisher unerreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung tiefe Einblicke in die Funktionsweise biologischer Systeme. Neben der bereits sehr gut etablierten Fluoreszenzspektroskopie wird in den letzten Jahren das große Potenzial der labelfreien Vib ... mehr

  • Autoren

    Henning Steinert

    Henning Steinert, Jahrgang 1993, studierte an der Carl‑von‑Ossietzky Universität Oldenburg Chemie, wo er sich unter anderem mit der Aktivierung von Si–H-Bindungen an Titankomplexen beschäftigte. Aktuell promoviert er an der Ruhr-Universität Bochum am Lehrstuhl für Anorganische Chemie II von ... mehr

    Prof. Dr. Viktoria Däschlein-Gessner

    Viktoria Däschlein-Gessner, Jahrgang 1982, studierte Chemie an den Universitäten Marburg und Würzburg und promovierte im Jahr 2009 an der TU Dortmund. Nach einem Postdoc-Aufenthalt an der University of California in Berkeley (USA) leitete sie eine Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe an der Univers ... mehr

    Kevin Wonner

    Kevin Wonner, Jahrgang 1995, studierte Chemie mit dem Schwerpunkt der elektrochemischen Untersuchung von Nanopartikeln an der Ruhr-Universität Bochum und ist seit 2018 Doktorand am Lehrstuhl für Analytische Chemie II von Prof. Dr. Kristina Tschulik im Rahmen des Graduiertenkollegs 2376. Er ... mehr

Mehr über University of Oxford
  • News

    Quantencomputer überprüfen sich gegenseitig

    Woher wissen wir, ob ein Quantencomputer die richtige Antwort auf eine Frage liefert, die mit keinem anderen Computer beantwortet werden kann? Dieser Herausforderung widmete sich nun ein Team von Forschern der Universitäten Wien, Innsbruck, Oxford und Singapur, und zeigte wie sich Quantenco ... mehr

    Polymere und Treibstoffe aus erneuerbaren Ressourcen

    Professor Charlotte K. Williams von der Oxford University erhält die Otto Roelen-Medaille 2018. Mit diesem Preis würdigen die DECHEMA und die Deutsche Gesellschaft für Katalyse ihre Entwicklungen zu hochaktiven Katalysatoren für die Kohlendioxid-Copolymerisation. Damit können erneuerbare Re ... mehr

    Google stellt Open-Source Bibliothek für Quantenchemie zur Verfügung

    Seit sich Physiker mit der theoretischen Beschreibung von Molekülen beschäftigen, ist die Lösbarkeit von quantenmechanischen Gleichungen eine große Hürde. Durch die Veröffentlichung eines Open-Source basierten Systems soll dies der Vergangenheit angehören. Mit weltweiten Kooperationspartner ... mehr