30.11.2023

Mehr Wasserstoff aus Mikroorganismen

Molekularer Mechanismus des Stoffwechsels aufgeklärt.

Enzyme aus Mikroorganismen können unter bestimmten Bedingungen Wasserstoff herstellen, was sie zu möglichen Biokata­lysatoren für biobasierte H2-Technologien macht. Um diese Wasserstoff­produktion effizient zu gestalten, versuchen Forschende, mögliche limitierende Faktoren herauszufinden und auszuschalten. Dazu gehört Formaldehyd, das als natürliches Stoffwechselprodukt in Zellen vorkommt und die besonders leistungsfähige [FeFe]-Hydrogenase hemmt. Den zugrunde liegenden Mechanismus konnte ein Team der Photobio­technologie der Ruhr-Universität Bochum aufklären und ausschalten. 

Abb.: Anja Hemschemeier, Jifu Duan und Eckhard Hofmann (v. l.)  optimieren die...
Abb.: Anja Hemschemeier, Jifu Duan und Eckhard Hofmann (v. l.) optimieren die Wasserstoffproduktion von Mikroorganismen.
Quelle: Marquard, RUB

Formaldehyd ist unter anderem als Konservierungs­mittel bekannt, aber es kommt auch als natürliches Stoffwechsel­produkt in lebenden Zellen vor. Vor zwölf Jahren konnten Forschende der Universität Oxford, Großbritannien, und der Ruhr-Universität Bochum bereits zeigen, dass dieses weit verbreitete Molekül eine besondere Klasse von Biokatalysatoren hemmt: die besonders effizienten Wasserstoff-bildenden Hydro­genasen des Zwei-Eisen-Typs, die [FeFe]-Hydrogenasen. „Das war eine interessante Entdeckung, da Formaldehyd sowohl den natürlichen H2-Stoffwechsel von Mikro­organismen als auch isolierte Hydrogenasen in biotechno­logischen Anwendungen hemmen könnte“, so Jifu Duan.

Nachdem verschiedene theoretische Studien Hypothesen aufgestellt hatten, wie das Formaldehyd-Molekül auf die [FeFe]-Hydrogenasen wirken könnte, ist es dem Team gelungen, den molekularen Mechanismus experimentell aufzuklären. Anhand von Strukturen von mit Formaldehyd behandelten [FeFe]-Hydrogenasen, die durch Protein-Kristallo­grafie gewonnen wurden, konnten sie zeigen, dass Formaldehyd mit dem aktiven Zentrum der Biokata­lysatoren reagiert – einem anor­ganischen Proteinteil, an welchem Protonen und Elektronen zu Wasserstoff umgesetzt werden. Darüber hinaus aber verbindet sich Formaldehyd mit einem weiteren wichtigen Proteinanteil, der mittels einer schwefelhaltigen chemischen Gruppe für den Transport der Protonen zum aktiven Zentrum hin nötig ist. Wenn die Forschenden diesen Teil durch einen anderen ersetzten, konnte Formaldehyd seine hemmende Wirkung kaum noch entfalten.

„Zukünftige biotechnologische Anwendungen von [FeFe]-Hydrogenasen könnten durchaus die Anwesenheit von Formaldehyd beinhalten, sodass unsere veränderten, Formaldehyd-resistenten Biokata­lysatoren hier zum Einsatz kommen könnten“, erklärt Jifu Duan. „Wir glauben auch, dass unsere Erkenntnisse auf andere Biokata­lysatoren übertragen werden können.“ Dies könnte für biobasierte Industrie­prozesse eine Rolle spielen, aber auch für das Verständnis von Stoffwechselwegen in lebenden Organismen.

RUB / JOL

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