Die Evolution der elektronischen Strukturen von Eisen-Schwefel Clustern. Beiträge der Elektronenstruktur zum Verständnis ihrer vielfältigen Funktionen.

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Serena DeBeer, Ph.D.; Professor Dr. Frank Neese
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie ; Biochemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 310983376

Dieser Antrag baut auf die Ergebnisse der ersten Förderperiode des SP1927 auf, welche bisher zu fünf, zum Teil in Zusammenarbeit mit anderen SPP Teilnehmern entstandenen, Publikationen geführt hat. Das Projekt ist darauf ausgerichtet die einzigartigen elektronischen Strukturen von komplexen Fe/S Clustern in der Natur sowie in Modellsystemen im Detail zu verstehen. Das weitergehende Ziel ist hierbei ein tiefgehendes Verständnis der Reaktivität dieser Systeme zu erreichen, wobei besonderes Augenmerk auf die Nitrogenase und die Hydrogenase gelegt wird. In der ersten Förderperiode wurde ein zweigleisiger Ansatz verfolgt, der eine experimentell-spektroskopische und eine theoretische Komponente enthielt. Im spektroskopischen Teil des Projektes wurde die Techniken des „2p3d resonant inelastic x-ray scattering (RIXS)“ sowie der Röntgen magnetische Zirkulardichroismus (XMCD) weiterentwickelt und auf Fe/S Cluster angewendet. Beide Techniken führen zu neuartigen Einblicken die elektronischen Strukturen dieser Systeme. Im theoretischen Teil der Forschungen wurden neuartige effektive Hamiltonoperatoren auf der Basis von detaillierten quantenchemischen Rechnungen mit Hilfe von hochwertigen Wellenfunktionsmethoden formuliert. Diese Entwicklung hat das Ziel zu einer fundierten modellhaften Beschreibung dieser Systeme zu gelangen, welche auf mehrkernige Cluster angewendet werden kann, für welche eine rigorose quntenchemische Behandlung aus Komplexitätsgründen nicht mehr möglich ist. Im vorliegenden Antrag sollen beide Forschungszweige weiter vorangetrieben werden mit der Hoffnung zu einem kombiniert experimentell/theoretischen Protokoll zu gelangen, welches zur Aufklärung der elektronischen Strukturen von komplexen Fe/S Clustern erlaubt. Zu diesem Zweck zielen neue instrumentelle Entwicklungen in der 2p3d-RIXS Spektroskopie darauf ab höhere spektrale Auflösungen zu erlangen. Zusätzlich wird die XMCD Technik als Informationsquelle für die Elektronenstruktur von Fe/S Clustern weiter studiert und auf die Aktivzentren der Nitrogenase und der Hydrogenase angewendet. In Ergänzung der experimentellen Studien sollen die Studien an den effektive Hamilton Operatoren weiter ausgebaut werden. Bisher haben dieser Studien zu einem detaillierten Verständnis von ein- und zweikernigen Fe/S Zentren geführt. Das Ziel dieser Förderperiode ist es, zu Modelloperatoren zu gelangen, welche auf drei- und vierkernige Zentren angewendet werden können. Die Hoffnung ist es, schlussendlich diesen Ansatz auch auf das FeMoco Aktivzentrum der Nitrogenase zu erweitern, welche das komplizierteste Aktivzentrum in der Biologie darstellt. Weiterhin werden verstärkte Anstrengungen unternommen, um magnetische Eigeschaften und Röntgenspektren auf der Basis der entwickelten Modelloperatoren zu berechnen, um so einen überzeugenden Anschluss an die experimentellen Studien zu gewährleisten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1927: Iron-Sulfur for Life