Raman-Spektroelektrochemie der O2-reduzierenden S. Coelicolor-Laccase (SLAC): Erforschung von Elektronentransferwegen jenseits des aktiven Zentrums des Biokatalysators

• Antragstellerin: Professorin Dr. Patrycja Kielb
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556062949

Der wissenschaftliche Vorschlag zielt darauf ab, die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) in multimetallischen Cu-haltigen Metalloenzymen am Beispiel der Laccase von Streptomyces coelicolor zu untersuchen, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf den Elektronentransferwegen außerhalb des aktiven Zentrums des Enzyms liegt. Metalloenzyme haben Mechanismen entwickelt, um den Elektronenfluss von externen Spendern effizient an ihre aktiven Zentren zu koppeln, um eine ordnungsgemäße O2-Reduktion zu gewährleisten und die ROS-Bildung zu minimieren. Ein entscheidender Aspekt dieses Prozesses ist die kinetisch ausgewogene Abgabe von vier Elektronen und Protonen zur Bildung von Wassermolekülen. Um die ständige Verfügbarkeit von Elektronen zu gewährleisten, wird angenommen, dass Redoxketten, die aus Tyr- und Trp-Resten bestehen, als Elektronenreservoirs fungieren und dazu beitragen, das Gleichgewicht der Elektronenabgabe aufrechtzuerhalten und oxidative Schäden zu verhindern. Die Beteiligung der Tyr/Tp-Ketten an der Katalyse, insbesondere ihre thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften, sind jedoch unbekannt. In diesem Projekt wollen wir die Rolle und die Regulierung der Tyr/Trp-Ketten in SLAC während der O2-Reduktion und ihre Auswirkungen auf die Katalyse verstehen. Die spezifischen Ziele sind: i) die mechanistischen Details der Radikalbildung über ET-Wege während des O2-Umsatzes in situ zu entschlüsseln; ii) die Faktoren zu verstehen, die die Thermodynamik und Kinetik der Aktivierung des Radikaltransfers beeinflussen, und iii) die Möglichkeit der Feinabstimmung des Radikaltransfers durch strukturelle Veränderungen zu erforschen, die die Redox- und kinetischen Eigenschaften der redoxaktiven Reste verändern. Um diese Ziele zu erreichen, wird das Projekt eine Kombination aus Raman-Spektroskopie, Stop-Flow-Methode und Elektrochemie verwenden. Die SLAC-Varianten werden durch Proteinexpression, -reinigung und -techniken hergestellt. Mit dem spektroskopischen Ansatz werden die Schwingungsfingerabdrücke von aromatischen Radikalen und aktiven Metallstellen während der Katalyse unter elektrochemischer Kontrolle überwacht. Die Resonanz-Raman-Verstärkung (RR) wird die selektive Überwachung von Metall-Cofaktoren, sauerstoffgebundenen Zwischenprodukten und Tyr- und Trp-Radikalen ermöglichen. Die Stopped-Flow-Methode wird das zeitaufgelöste Einfangen von Zwischenprodukten ermöglichen, und aufgeraute Elektroden werden die Kontrolle des angelegten elektrochemischen Potenzials erleichtern und das Raman-Signal durch das Phänomen des oberflächenverstärkten Ramans (SER) verstärken. Folglich wird das detaillierte Verständnis der Thermodynamik und Kinetik der Radikalbildung über den Tyr/Trp-Weg den Weg für die Erhellung des detaillierten Konzepts der gekoppelten Elektronentransferreaktionen mit Substratumwandlung in Metalloenzymen ebnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Freeze quench stopped-flow
• Gerätegruppe: 1860 Spezielle Spektrographen und Spektrometer