Die Rolle von Eisen-Schwefel-Kofaktoren in der Assemblierung von Metallzentren und der Katalyse von Hydrogenasen

• Antragsteller: Dr. Oliver Lenz; Dr. Ingo Zebger
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 311062227

Ein Fokus unseres gemeinschaftlichen Projekts in der zweiten Förderperiode des Schwerpunktprogrammes 1927 “Iron-Sulfur for Life” wird auf die Aufklärung der ungewöhnlichen Eigenschaften des katalytischen Zentrums einer O2-toleranten, thermostabilen, NAD+-reduzierenden [NiFe]-Hydrogenase gelegt. Unter anderem soll untersucht werden, inwiefern die besondere Struktur des aktiven Zentrums Auswirkungen auf die H2-abhängige Katalyse dieses komplexen FeS-Cluster-haltigen Enzyms hat. Die Untersuchung der strukturellen und mechanistischen Details wird dabei in einem interdisziplinären Ansatz erfolgen, der Elektronenspinresonanz-, Infrarot- (IR) sowie Resonanz-Raman (RR)-Spektroskopie beinhaltet und der Charakterisierung von katalytisch relevanten Zuständen des aktiven Zentrums sowohl in vitro als auch in vivo dient. Vergleichbare Studien werden mit einer verwandten, den Cofaktor F420-reduzierenden [NiFe]-Hydrogenase durchgeführt. Für letztere werden wir einen kürzlich etablierten Versuchsaufbau verwenden, der IR- und RR-Messungen an ein und demselben Enzymkristall in Gegenwart verschiedener Gasatmosphären erlaubt. Wir erwarten, dass diese Experimente in Zusammenspiel mit der Röntgenstrukturanalyse und theoretischen Methoden ein detailliertes Bild der strukturellen und elektronischen Eigenschaften von katalytischen Intermediaten ergeben. Wir planen, diesen interdisziplinären Ansatz auf die Analyse der [Fe]-Hydrogenase sowie der Nitrogenase auszuweiten. Im zweiten Teil unseres gemeinsamen Projekts beabsichtigen wir, unser Wissen über den mehrstufigen Biosyntheseprozesses des NiFe(CN-)2(CO)-Cofaktors der [NiFe]-Hydrogenasen zu vertiefen. Wir werden den Reaktionsmechanismus untersuchen, über den das Maturationsprotein HypX Formyl-Tetrahydrofolat über Formyl-CoA in CO umwandelt, das unter aeroben Bedingungen als CO-Ligand in das aktive Zentrum eingebaut wird. Ebenfalls geplant sind Experimente zur Ermittlung der genauen Zusammensetzung des FeS-Cluster-haltigen HypCD-Maturationskomplexes, der in der Lage ist, das von HypX generierte CO-Molekül zu binden, um letztendlich die Fe(CN-)2(CO)-Einheit zu bilden. Drüber hinaus sind wir auf der Grundlage einer von uns entwickelten Strategie zur Reinigung der isolierten großen Untereinheit verschiedener [NiFe]-Hydrogenasen nun in der Lage, diese in verschiedenen Reifungszuständen des katalytischen Zentrums zu isolieren. Diese besondere Situation erlaubt uns nun, die zeitliche Abfolge des Zusammenbaus des NiFe(CN-)2(CO)-Zentrums im Enzym zu untersuchen. Wir werden schwingungsspektroskopische Methoden einsetzen, um Rolle und Zusammenspiel von FeS-Zentren und weiteren Metallen bei der Reifung und Katalyse von Hydrogenase, Nitrogenase und Nitrogenase-ählichen-Proteinen sowie Komplex I zu untersuchen. In enger Zusammenarbeit mit Mitgliedern des SPP sowie externen Partnern werden wir die Resultate dieses Projekts nutzen, um ein allumfassendes Bild der FeS-abhängigen Maturation und Katalyse zu erhalten.

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