Vergleichende Infrarotstudien an [FeFe]-Hydrogenasen

• Antragsteller: Dr. Sven Stripp
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 552022686

[FeFe]-Hydrogenasen sind wasserlösliche Eisen-Schwefel-Enzyme die in Bakterien und Pflanzen den Wasserstoff-Metabolismus katalysieren (2 H+ + 2 e- <-> H2). [FeFe]-Hydrogenasen ermöglichen die Oxidation von H2 als Elektronenquelle für anabole Stoffwechselprozesse, z.B. in dem sie die reduktive Fixierung von CO2 zu organischen Kohlenwasserstoffen wie Formiat ko-katalysieren. In Richtung der Protonenreduktion wird H2-Gas abgegeben um das Redoxgleichgewicht der Zelle zu kontrollieren. Vorteilhafte Eigenschaften wie eine H2-Produktionsrate von bis zu 20.000 H2 s-1 ohne erhebliche Überspannung (ca. -420 mV vs SHE bei pH 7) machen [FeFe]-Hydrogenasen zu einem wichtigen Modellenzym der Bioanorganik. Ein Verständnis des molekulares Wirkmechanismus von Hydrogenasen kann neuartige Katalysatoren inspirieren, die beispielweise in Brennstoffzellen Einsatz finden. [FeFe]-Hydrogenasen tragen ihren Namen aufgrund des bimetallischen Eisenkerns ([FeFe]), der zusammen mit einem [4Fe4S]-Zentrum ([4Fe]H) den katalytischen Kofaktor bildet. Dieser sogenannte 'H-cluster' trägt zwei Zyanid-Liganden (CN) und bis zu vier Kohlenmonoxid-Liganden (CO), die das [FeFe]-Zentrum über Wasserstoffbrücken mit der Protein-Umgebung verankern und das Redoxpotential beeinflussen. Da die CN- und CO-Liganden des H-clusters ein starkes Dipolmoment aufweisen und in einem Energiebereich absorbieren, der nicht von anderen Signalen überlagert wird, können [FeFe]-Hydrogenasen komfortabel mittels Fourier-transformierter Infrarot-Spektroskopie (FTIR) untersucht werden. Am Beispiel unterschiedlicher Hydrogenase-Enzyme habe ich eine Methode entwickelt, FTIR-Differenzspektren durch quantitative Gastitrationen zu erzeugen. Dabei werden die Enzyme in der Konfiguration der abgeschwächten Totalreflektion (ATR) untersucht. Bei vorsichtiger Führung des Experimentes kann oberhalb des Probenfilms eine 'feuchte' Gasatmosphäre stabil gehalten werden, die ein Austrocknen des Präparates verhindert. Die Analyse der katalytischen Funktion von [FeFe]-Hydrogenasen ist seit 2016 ein Schwerpunkt meiner Arbeit, die Anwendung von in situ ATR-FTIR-Spektroskopie auf wasserlösliche Metallenzyme meine methodische Expertise. Im Rahmen dieser Sachbeihilfe möchte ich nun finale Aspekte des katalytischen Mechanismus von [FeFe]-Hydrogenasen untersuchen, vor allem die pH-Abhängigkeit der enzymatischen H2-Produktion und die Protonen-gekoppelte Reduktion des [4Fe]H-Zentrums. Darüber hinaus sollen die Weichen gestellt werden für die Ermittlung der Raumtemperatur-Kristallstruktur des reduzierten H-clusters mittels serieller Synchrotron-Röntgenbeugung. In einem weiteren Arbeitspaket schlage ich experimentelle Konzepte vor, die Kopplung von H2-Katalyse mit Elektronenbifurkation und CO2-Katalyse zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen