Metalloenzyme mittels theoretischer nichtlinearer Infrarotspektroskopie verstehen - Einblicke in die Struktur, Funktion und Dynamik von Hydrogenasen

• Antragsteller: Dr. Marius Horch
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 577155897

Metalloenzyme sind metallhaltige Proteine, die biochemische Reaktionen mit hoher Effizienz und Selektivität katalysieren. Sie sind deshalb für die Biotechnologie und das bioinspirierte Katalysatordesign hoch relevant, doch ihre rationale Nutzung verlangt ein tiefes Verständnis von Struktur, Funktion und Dynamik – besonders bezüglich reaktiver Metallzenten und deren Funktionalisierung durch die Proteinumgebung. Sauerstoff-tolerante [NiFe]-Hydrogenasen katalysieren die reversible Spaltung von Wasserstoff (H2) und in vielen Fällen die reduktive Entgiftung von Sauerstoff (O2) mittels eines proteinumhüllten Nickel-Eisen-Zentrums mit biologisch unüblichen Kohlenmonoxid-(CO-) und Cyanid-(CN−-)Liganden. Aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaften sowie der Eignung von H2 als sauberer Energieträger stellen O2-tolerante [NiFe]-Hydrogenasen technologisch relevante Modell-Metalloenzyme für die Erforschung von H2/O2-Aktivierung und bioanorganischer Katalyse dar. Da die CO- und CN−-Liganden als ortsspezifische und struktursensitive Infrarot-(IR-)Chromophore verwendet werde können, zählt die IR-Spektroskopie hierbei seit Langem zu den wichtigsten Techniken. Um die Grenzen konventioneller IR-Absorptionsexperimente zu überwinden, hat der Antragsteller kürzlich ultraschnelle und zweidimensionale (2D) IR-Techniken in die Hydrogenase-Forschung eingeführt. Obwohl diese nichtlinearen Techniken beispiellose und hoch zeitaufgelöste Einblicke in Struktur und Dynamik erlauben, ist ihre Anwendung bisher durch mangelndes Verständnis komplexer Spektren sowie der in den zeitlich veränderlichen Signalen verschlüsselten Informationen beschränkt. Um das Potenzial dieser modernen IR-Techniken voll auszuschöpfen, werden wir deshalb rechnerische Strategien für die Simulation von IRpump–IRprobe- und 2D-IR-Spektren von [NiFe]-Hydrogenasen etablieren und anwenden. Hierbei werden wir schwingungsstörungstheoretische Verfahren zweiter Ordnung und Moleküldynamik-Simulationen gemeinsam mit (quanten-klassischen) Hybrid-Schemata und weiteren Strategien zur Verringerung des Rechenaufwands auf verschieden große Modelle des katalytischen [NiFe]-Zentrums anwenden. Dieser Ansatz wird (1) ein fundamentales Verständnis nichtlinearer IR-Spektren von Hydrogenasen sowie deren strukturellen und dynamischen Eigenschaften vermitteln, (2) Aspekte, die durch die Struktur des katalytischen Zentrums definiert sind, von denen, die durch die funktionale Proteinumgebung bestimmt werden, unterscheiden helfen, (3) ein allgemeines Instrumentarium zur Untersuchung beider genannter Aspekte in Metalloenzymen bereitstellen und (4) ein klares Bild vom katalytischen Mechanismus von Hydrogenasen liefern, das auch theoretische Aspekte jenseits der „rechnerischen Spektroskopie“ einbezieht. In Summe erwarten wir, dass dieses Projekt tiefe Einblicke in die Struktur, Funktion und Dynamik von Hydrogenasen und anderen Metalloenzymen bieten und damit deren rationale Nutzung fördern wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen