Spektroskopische Charakterisierung von Metalloproteinen

Hydrogenasen

Die Verwendung von Wasserstoff (H2) als Energiespeichermedium wird derzeit als Schlüsseltechnologie für die Energiewende gehandelt. Hydrogenasen sind Enzyme, die die reversible Aufspaltung von H2 in zwei Protonen und zwei Elektronen katalysieren. Alle Hydrogenasen enthalten Metallzentren aus Nickel (Ni) und/oder Eisen (Fe) als katalytische Zentren und können entsprechend als [Fe]-Hydrogenasen, [FeFe]-Hydrogenasen und [NiFe]-Hydrogenasen klassifiziert werden.

[NiFe]-Hydrogenasen

Im Zusammenhang mit biotechnologischen Anwendungen im Bereich der Energiespeicherung und -umwandlung sind sauerstofftolerante [NiFe]-Hydrogenasen. [1-4]

Wir setzen IR-Spektroskopie in Kombination mit EPR-, UV/Vis-, Resonanz-Raman (RR)-Spektroskopie und Nuclear Vibrational Resonance spectroscopy (NRVS) ein, um den zugrundeliegenden Reaktionsmechanismus und den strukturellen Grund für diese Sauerstofftoleranz im Vergleich zu anaeroben Standard-[NiFe]- und [FeFe]-Hydrogenasen zu entschlüsseln. Desweiteren haben wir zusammen mit unseren Kollaborationspartnern angefangen erste Funktionsstudien für hydrogenasebasierte bioelektronische Geräte durchzuführen. [1-4]   zu Methoden

[1]Exploring Structure and Function of Redox Intermediates in [NiFe]‐Hydrogenases by an Advanced Experimental Approach for Solvated, Lyophilized and Crystallized Metalloenzymes, C. Lorent, V. Pelmenschikov, S. Frielingsdorf, J. Schoknecht, G. Caserta, Y. Yoda, H. Wang, K. Tamasaku, O. Lenz, S. P. Cramer, M. Horch, L. Lauterbach, I. Zebger, Angewandte Chemie International Edition 2021, 60, 15854–15862, 10.1002/anie.202100451

[2] Reversible Glutamate Coordination to High-Valent Nickel Protects the Active Site of a [NiFe] Hydrogenase from Oxygen, C. J. Kulka-Peschke, A. C. Schulz, C. Lorent, Y. Rippers, S. Wahlefeld, J. Preissler, C. Schulz, C. Wiemann, C. C. M. Bernitzky, C. Karafoulidi-Retsou, S. L. D. Wrathall, B. Procacci, H. Matsuura, G. M. Greetham, C. Teutloff, L. Lauterbach, Y. Higuchi, M. Ishii, N. T. Hunt, O. Lenz, I. Zebger, M. Horch, Journal of the American Chemical Society 2022, 144, 17022–17032, 10.1021/jacs.2c06400

[3]Structural Determinants of the Catalytic Nia-L Intermediate of [NiFe]-Hydrogenase A.F. T. Waffo, C. Lorent, S. Katz, J. Schoknecht, O. Lenz, I. Zebger, G. Caserta Journal of the American Chemical Society 2023 145 (25), 13674-13685, 10.1021/jacs.3c01625

[4] Immobilization of O2-tolerant [NiFe] hydrogenase from Cupriavidus necator on Tin-rich Indium Oxide Alters the Catalytic Bias from H2 Oxidation to Proton Reduction, V. Davis, N. Heidary, A. Guiet, K. H. Ly, M. Zerball, C. Schulz, N. Michael, R. von Klitzing, P. Hildebrandt, S. Frielingsdorf, O. Lenz, I. Zebger, A. Fischer ACS Catalysis 2023 13 (9), 6312-6327 10.1021/acscatal.2c06334

[FeFe] Hydrogenasen

[FeFe] Hydrogenasen sind hoch effiziente Biokatalysatoren für die reversible Di-Wasserstoffproduktion. Wir verwenden das monomere Enzym von Chlamydomonas reinhardtii (CrHydA1) als Modellsystem zum Studium des katalytischen Mechanismus mittels Schwingungs- (Resonanz-Raman/RR, IR) und EPR Spektroskopie bei kryogenen Temperaturen.[5,6] Hierbei untersuchen wir die Redox-Transformationen der [2Fe] und [4Fe4S] Teilbereiche des katalytischen Zentrums (H-cluster) in dieser Hydrogenase. Mit Hilfe von RR Spektroskopie entdeckten wir ein neues metastabiles Intermediat, welches wir dem ersten, deprotonierten H-cluster Intermediat des katalytischen Zyklus der [FeFe] Hydrogenasen zuordnen.[5] Kryogene Infrarot- und Elektron-Spin- Resonanz- Spektroskopie zeigten zwei neue Hydrid-Intermediate auf und lieferten den spektroskopischen Beweis für einen verbrückenden CO Liganden in zwei reduzierten Zuständen des H-clusters.[6] Diese Studien liefern neue Erkenntnisse über diese wichtigen Intermediate und ihre Bedeutung für den katalytischen Zyklus des Enzyms.

[5] Vibrational Spectroscopy Reveals the Initial Steps of Biological Hydrogen Evolution, S. Katz,  Noth, J., Horch, M., Shafaat, H. S., Happe, T., Hildebrandt, P., I. Zebger,  Chem. Sci.7, 2016,  6746-6752. 10.1039/C6SC01098A

[6] Shedding Light on Proton and Electron Dynamics in [FeFe] Hydrogenases, C. Lorent, S. Katz, J. Duan, C. J. Kulka, G. Caserta, C. Teutloff, S. Yadav, U. P. Apfel, M. Winkler, T. Happe, M. Horch, I. Zebger, J Am. Chem. Soc. 2020, 142, 5493–5497. 10.1021/jacs.9b13075