Lösung der Biokatalyse-Bremse

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Mechanismus aufgeklärt

Enzyme aus Mikroorganismen können unter bestimmten Bedingungen Wasserstoff herstellen, sie agieren dann als mögliche Biokatalysatoren für biobasierte H2-Technologien. Um diese Wasserstoffproduktion effizient zu gestalten, versuchen Forschende, mögliche limitierende Faktoren herauszufinden und auszuschalten. Dazu gehört Formaldehyd (CH2O), 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. Die Forschenden berichten im Journal of the American Chemical Society vom 20.11.2023.

In Formaldehyd konservierte Proben im Naturkundemuseum Berlin – Foto © Franziska Vogt für Agentur Zukunft

Konservierungsmittel beeinflusst H2-bildende Biokatalysatoren

Formaldehyd ist unter anderem als Konservierungsmittel bekannt, aber es kommt auch als natürliches Stoffwechselprodukt in lebenden Zellen vor. Vor zwölf Jahren konnten WissenschaftlerInnen der Universität Oxford 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, sogenannte [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 Dr. Jifu Duan, Erstautor der aktuellen Arbeit.

Molekularer Mechanismus der Formaldehyd-Vergiftung aufgeklärt

Nachdem verschiedene theoretische Studien Hypothesen aufgestellt hatten, wie das Formaldehyd-Molekül auf die [FeFe]-Hydrogenasen wirken könnte, ist es dem Team um Jifu Duan und Prof. Dr. Eckhard Hofmann 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 WissenschaftlerInnen diesen Teil durch einen anderen ersetzten, konnte Formaldehyd seine hemmende Wirkung kaum noch entfalten.

Neue Erkenntnisse könnten Rolle für H2-Technologien spielen

„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.

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