Thomas Happe: Das molekulare Pendel, das Wasserstoffbildung beschleunigt

Fast alle Stoffwechselprozesse benötigen Protonen, also positiv geladene Wasserstoffatome, die in der Zellflüssigkeit reichlich vorhanden sind. Damit Biokatalysatoren wie Hydrogenasen daraus effizient Wasserstoff herstellen können, brauchen sie einen gezielten Transportweg zur aktiven Stelle im Enzyminneren. Genau diesen Weg hat das Team um Prof. Dr. Thomas Happe an der Ruhr-Universität Bochum nun für die sogenannten [FeFe]-Hydrogenasen beschrieben. Im Mittelpunkt steht ein molekulares Pendel aus zwei Histidin-Aminosäuren, über das Protonen ins Innere des Enzyms gelangen. Die beteiligten Hydrogenasen können dabei fast 10.000 Protonen pro Sekunde einfangen.

Wie funktioniert das molekulare Protonenpendel?

Die Forscher fanden heraus, dass Zink zwei Histidin-Aminosäuren auf der Oberfläche von [FeFe]-Hydrogenasen blockieren kann, die für den Protonentransport zuständig sind. Eines dieser beiden Histidine arbeitet dabei wie ein Pendel: Es nimmt an der Enzymoberfläche ein Proton vom benachbarten Histidin auf und gibt es beim Einschwingen ins Enzyminnere an den bekannten Transportpfad weiter. Einen fixen Drehpunkt bildet dabei eine weitere Aminosäure.

Um die Rolle der beiden Histidine zu prüfen, tauschte das Team sie einzeln gegen andere Aminosäuren aus. Dabei zeigte sich ein deutlicher Unterschied zwischen den beiden Bausteinen:

• Wird eines der Histidine ersetzt, bleibt der Biokatalysator aktiv, reagiert aber nicht mehr empfindlich auf eine Blockade durch Zink.
• Wird das andere Histidin ausgetauscht, verlangsamt sich die Wasserstoffbildung stark.
• Der Pendel-Mechanismus tritt ausschließlich bei der hochtourigen Gruppe A der [FeFe]-Hydrogenasen auf.

Die Ergebnisse legen damit nahe, dass beide Histidine unterschiedliche, aber präzise zusammenwirkende Aufgaben beim Protonentransport übernehmen.

Warum ist die Entdeckung für die Wasserstoffforschung wichtig?

Die Forschungsergebnisse wurden im renommierten Fachjournal Journal of the American Chemical Society veröffentlicht. Der Wasserstoffstoffwechsel spielt eine wichtige Rolle in vielen Ökosystemen, da zahlreiche Mikroorganismen Hydrogenasen zur Energiegewinnung nutzen. Je genauer bekannt ist, wie diese Enzyme Protonen besonders schnell transportieren, desto gezielter lässt sich dieses Prinzip künftig für technische Anwendungen nutzbar machen.

Was bedeutet der Fund für künftige Biokatalysatoren?

Happes Team geht davon aus, dass die Erkenntnisse zum Protonenpendel helfen könnten, bessere Biokatalysatoren für biobasierte Industrieprozesse zu entwickeln. Damit rückt die Idee näher, natürliche Enzymmechanismen gezielt für eine effizientere Wasserstofftechnologie zu nutzen. Als nächsten Schritt will das Team den Mechanismus weiter untersuchen, um zu klären, wie sich die hohe Umsatzrate der Gruppe A gezielt auf andere, bislang langsamere Hydrogenasen übertragen lässt.