Entschlüsselung des katalytischen Mechanismus der [FeFe]-Hydrogenase durch Neutronenkristallographie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
[FeFe]-Hydrogenasen katalysieren effizient die reversible Umwandlung von Protonen, Elektronen und Dihydrogen (H2) unter Verwendung ihres katalytischen Cofaktors, des sogenannten H-Clusters. Der katalytische Umsatz an dem tief in der Proteinmatrix vergrabenen H- Cluster wird durch konzertierte, protonengekoppelte Elektronentransferschritte erreicht. Um das Schicksal der katalytisch wichtigen Wasserstoffspezies, die sich an den H-Cluster binden, und den Protonentransferweg zu verstehen, wurde vorgeschlagen, die Neutronenkristallographie auf der Grundlage der gut etablierten Röntgenkristallographie in den gastgebenden Labors einzusetzen. Obwohl die großformatigen CpI-Kristalle ([FeFe]-Hydrogenase aus Clostridium pasteurianum) erhalten wurden (>0,1 mm3), sank ihre Beugungskapazität auf t, Auflösungen von 2,8-3,5 Å mit hoher Mosaizitä was auf ernsthafte Probleme bei der Kristallpackung hindeutet. Trotz zahlreicher Optimierungsversuche gelang es nicht, große CpI-Kristalle zu erhalten, die für die Neutronenbeugung geeignet sind. Für die Zukunft ist ein umfassenderes Screening für die Kristallisation erforderlich. Darüber hinaus hat der Antragsteller weitere Fortschritte bei Strukturuntersuchungen an [Fe- Fe]-Hydrogenasen erzielt. Es wurde nachgewiesen, dass externes Cyanid direkt an die offene Koordinationsstelle des H-Clusters bindet. In dem an Cyanid gebundenen Zustand wurde eine alternative Konformation des Protonenübertragungswegs beobachtet, die möglicherweise eine zweite funktionelle Konformation des Protonenübertragungswegs widerspiegelt. Es wurde gezeigt, dass Formaldehyd mit der Amingruppe des H-Clusters und der Thiolgruppe des Protonentransferweges reagiert, die beide katalytisch sehr wichtig für den katalytischen Umsatz sind, und somit einen molekularen Mechanismus liefert, wie Formaldehyd [FeFe]-Hydrogenasen hemmt. Es wurde ein strukturelles und funktionelles Verständnis der sauerstoffstabilen [FeFe]-Hydrogenase von Clostridium beijerinckii gewonnen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Electrochemical control of [FeFe]-hydrogenase single crystals reveals complex redox populations at the catalytic site. Dalton Transactions, 50(36), 12655-12663.
Morra, Simone; Duan, Jifu; Winkler, Martin; Ash, Philip A.; Happe, Thomas & Vincent, Kylie A.
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Following Electroenzymatic Hydrogen Production by Rotating Ring–Disk Electrochemistry and Mass Spectrometry**. Angewandte Chemie International Edition, 60(18), 10001-10006.
Khushvakov, Jaloliddin; Nussbaum, Robin; Cadoux, Cécile; Duan, Jifu; Stripp, Sven T. & Milton, Ross D.
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Trapping an Oxidized and Protonated Intermediate of the [FeFe]-Hydrogenase Cofactor under Mildly Reducing Conditions. Inorganic Chemistry, 61(26), 10036-10042.
Senger, Moritz; Duan, Jifu; Pavliuk, Mariia V.; Apfel, Ulf-Peter; Haumann, Michael & Stripp, Sven T.
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A Dynamic Water Channel Affects O2 Stability in [FeFe]‐Hydrogenases. ChemSusChem, 17(3).
Brocks, Claudia; Das, Chandan K.; Duan, Jifu; Yadav, Shanika; Apfel, Ulf‐Peter; Ghosh, Subhasri; Hofmann, Eckhard; Winkler, Martin; Engelbrecht, Vera; Schäfer, Lars V. & Happe, Thomas
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Cyanide Binding to [FeFe]‐Hydrogenase Stabilizes the Alternative Configuration of the Proton Transfer Pathway. Angewandte Chemie International Edition, 62(7).
Duan, Jifu; Hemschemeier, Anja; Burr, David J.; Stripp, Sven T.; Hofmann, Eckhard & Happe, Thomas
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Insights into the Molecular Mechanism of Formaldehyde Inhibition of [FeFe]-Hydrogenases. Journal of the American Chemical Society, 145(48), 26068-26074.
Duan, Jifu; Veliju, Astrit; Lampret, Oliver; Liu, Lingling; Yadav, Shanika; Apfel, Ulf-Peter; Armstrong, Fraser A.; Hemschemeier, Anja & Hofmann, Eckhard
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Structural determinants of oxygen resistance and Zn 2+ -mediated stability of the [FeFe]-hydrogenase from Clostridium beijerinckii. Proceedings of the National Academy of Sciences, 122(3).
Duan, Jifu; Rutz, Andreas; Kawamoto, Akihiro; Naskar, Shuvankar; Edenharter, Kristina; Leimkühler, Silke; Hofmann, Eckhard; Happe, Thomas & Kurisu, Genji
