Ein molekulares Pendel für effiziente Wasserstoffbildung

Nahezu sämtliche Stoffwechselprozesse sind auf Protonen H⁺angewiesen. Um hohe Umsatzraten zu gewährleisten, benötigen Biokatalysatoren spezialisierte Mechanismen für die Aufnahme und den gerichteten Transport dieser Kationen zum aktiven Zentrum. Mikrobielle Hydrogenasen zeichnen sich bei der Reduktion von Protonen zu molekularem Wasserstoff H₂ durch eine extrem hohe Turnover-Frequenz von bis zu 10.000 s^-1. Die molekularen Grundlagen dieser effizienten Protonenakquisition wurden nun von einem Forschungsteam der Photobiotechnologie an der Ruhr-Universität Bochum entschlüsselt.

Inhibitionsmechanismus durch Zinkionen als Struktursonde

Während Zink als essenzielles Kofaktor-Ion in vielen Metalloenzymen fungiert, bindet es in anderen Systemen unspezifisch an reaktive Aminosäure-Seitenketten und wirkt dadurch als Reversibler Inhibitor. „Genau durch diese Bindung kann Zink aber auch Biokatalysatoren blockieren“, erklärt Dr. Jifu Duan. „Es kann nämlich auch unspezifisch an Stellen andocken, die für die Bindung von Protonen benötigt werden.“

Die Bochumer Forschenden untersuchten die Zink-Inhibition bei [FeFe]-Hydrogenasen und identifizierten die kritische Wechselwirkungsstelle. „Obwohl wir anhand von Kristallstrukturen sehen konnten, dass Zink an verschiedenen Stellen der [FeFe]-Hydrogenasen bindet, führte die Interaktion an nur einer ganz bestimmten Stelle zur Hemmung“, so Jifu Duan. Diese Bindungsstelle befindet sich in unmittelbarer Nähe des etablierten internen Protonentransferpfades.

Molekularer Pendelmechanismus über Histidin-Reste

Das Team um Jifu Duan und Prof. Dr. Thomas Happe konnte nachweisen, dass Zink- und andere Metallionen spezifisch zwei oberflächennahe Histidin-Reste blockieren. Mittels gezielter Mutagenese (Site-Directed Mutagenesis) wurde die funktionelle Differenzierung der beiden Histidine aufgezeigt. Der Austausch des ersten Histidins führte zu einem zink-resistenten, voll aktiven Enzym, während die Substitution des zweiten Histidins eine drastische Reduktion der H₂-Bildungsrate bewirkte.

Mithilfe einer Methodenkombination aus Proteinkristallografie, elektrochemischen Analysen, Aktivitäts-Assays und Molekulardynamik-Simulationen wurde die Funktionsweise aufgeklärt. Das hochkonservierte Histidin agiert als molekulares Pendel. Durch Konformationsänderungen schwingt es zwischen der Enzymoberfläche – wo es Protonen von der zweiten Histidin-Seitenkette übernimmt – und dem Enzyminneren, um das Proton an den internen Transportpfad zu übergeben. Eine weitere Aminosäure dient hierbei als struktureller Drehpunkt.

Evolutive Spezialisierung der Gruppe-A-[FeFe]-Hydrogenasen

Unter den diversen Klassen der [FeFe]-Hydrogenasen weisen vor allem Vertreter der Gruppe A die prägnanten hohen katalytischen Umsatzraten auf. „Wir haben auch in anderen Gruppen von [FeFe]-Hydrogenasen nach unserem Pendel gesucht, aber es scheint nur in der Gruppe A vorzukommen“, berichtet Thomas Happe. „Wir glauben, dass die beiden Histidine für ihr schnelles Einfangen von Protonen und damit für ihre hohe Aktivität verantwortlich sind.“

Dieses Protonenpendel stellt mutmaßlich eine evolutive Adaption zur Maximierung der katalytischen Effizienz dar. Die Ergebnisse liefern fundamentale Einblicke in den mikrobiellen Wasserstoffmetabolismus. Sie bilden auch eine Basis für das künftige Rational Design robuster Biokatalysatoren in biotechnologischen Prozessen.

Quelle

Ruhr-Universität Bochum (10/2026)