Mechanismus der Ni,Fe-haltigen Kohlenmonoxid-Dehydrogenasen

• Antragsteller: Professor Dr. Holger Dobbek
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 578147562

Ni,Fe-haltige Kohlenmonoxid-Dehydrogenasen (CODHasen) katalysieren die reversible Oxidation von CO mit Wasser zu CO2, zwei Protonen und zwei Elektronen. Da CODHasen die Reduktion von CO2 bei geringem Überpotenzial katalysieren können, dient das aktive Zentrum und der darin befindliche Ni,Fe-Cluster als Modell für das Design chemischer Katalysatoren für die effiziente CO2-Reduktion. In dem vorangegangenen DFG-Projekt konnten wir zentrale mechanistische Aspekte CODHasen aufklären: (I) Strukturanalysen zeigten, dass die O₂-induzierte Inaktivierung des aktiven C-Clusters über einen mehrstufigen Prozess erfolgt, der mit dem Verlust des Ni-Zentrums endet. (II) Mutagenese-Studien belegten die doppelte Rolle konservierter Reste in der zweiten Koordinationssphäre: Sie aktivieren Substrate und stabilisieren zugleich das Metallcluster. (III) Zudem konnte in einem CODH-Homolog ein neuartiges hybrides Fe/S/O-Cluster identifiziert werden, das keine CODH-Aktivität zeigt und die Evolution und strukturelle Plastizität dieses Enzymtyps verdeutlicht. (IV) Ein Durchbruch gelang uns durch die Kombination von Kristallographie und spektroskopischen Methoden, mit der wir erstmals die Strukturen der drei katalytisch relevanten Redoxzustände (Cred1, Cint, Cred2) bestimmen konnten. Unerwartet erwies sich der Cint-Zustand als Schlüsselschritt der CO2-Aktivierung, wobei Ni eine zentrale, bislang unbekannte Rolle spielt. Diese Erkenntnisse liefern einen Paradigmenwechsel für das Verständnis der CODH-Katalyse und wichtige Impulse für die Entwicklung synthetischer CO2-Reduktionskatalysatoren - und ist die Grundlage für den vorliegenden Projektantrag. Ziel dieses Projektantrages ist die detaillierte Aufklärung des Reaktionsmechanismus Ni,Fe-haltiger Kohlenmonoxid-Dehydrogenasen (CODHs). Aufbauend auf den jüngsten Ergebnissen sollen die drei zentralen Redoxzustände (Cred1, Cred2, Cint) systematisch untersucht werden. Im Fokus stehen dabei (i) die Bindung und Aktivierung von CO im Cred1-Zustand, (ii) die elektronische Struktur und Ligandenchemie des Cred2-Zustands, in dem eine aktivierte Form von CO2 bereits gebunden ist, sowie (iii) der neu identifizierte Cint-Zustand und das Ni(I)-Ion als eigentlicher Katalysator der CO2-Aktivierung. Ergänzend werden Beiträge der Proteinmatrix und benachbarter Metallcluster zur Stabilisierung und Reaktivität untersucht. Dazu wollen wir weiterhin Proteinbiochemie, mit Kristallographie und spektroskopischen Methoden (IR, EPR, XAS) kombinieren, um einen konsistenten Reaktionsmechanismus zu entwickeln. Die Ergebnisse versprechen grundlegende Einsichten in die enzymatische CO2-Reduktion und liefern Designprinzipien für die Entwicklung synthetischer, auf Erdelementen basierender Katalysatoren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen