Wie Sauerstoff das Herzstück wichtiger Enzyme zerstört

Für die Experimente arbeiteten drei Gruppen der RUB zusammen: Aus der Arbeitsgruppe Photobiotechnologie waren Dr. Julian Esselborn – heute an der University of California, San Diego –, Prof. Dr. Thomas Happe und Dr. Leonie Kertess beteiligt.

Das Team kooperierte mit Prof. Dr. Eckhard Hofmann aus der Arbeitsgruppe Röntgenstrukturanalyse an Proteinen und Dr. Ulf-Peter Apfel vom Lehrstuhl Anorganische Chemie I.

Die interdisziplinäre Kooperation an der Schnittstelle von Biologie, Chemie und Physik war eingebettet in das Exzellenzcluster Ruhr Explores Solvation, kurz Resolv, und das Graduiertenkolleg Microbial Substrate Conversion, kurz Micon.

Strukturveränderungen durch Sauerstoff

Die Wissenschaftler untersuchten eine Hydrogenase aus dem Bakterium Clostridium pasteurianum. Das Besondere an dieser Klasse von Enzymen ist ihre Struktur aus sechs Eisen- und sechs Schwefelatomen. Der sogenannte Kofaktor bildet das Herzstück des Proteins, an dem die eigentliche Wasserstoffproduktion erfolgt.

Mehrere Proben des Enzyms lagerten die Forscher unterschiedlich lang mit Sauerstoff. Anschließend untersuchten sie mittels Röntgenstrukturanalyse, wie sich die dreidimensionale Struktur der Proteine verändert hatte. „Diese Methode ist sehr aufwendig und kompliziert, half uns aber, den zerstörerischen Prozess auf atomarer Ebene verfolgen zu können“, sagt Julian Esselborn.

Durch die Inkubation mit Sauerstoff veränderten sich nur einzelne Atome des Enzyms, nämlich bestimmte Eisenatome des Kofaktors. Das führte nach und nach zum Zerfall des gesamten aktiven Zentrums. Durch das Verständnis, welche Eisenatome besonders betroffen sind, hoffen die Forscherinnen und Forscher, biotechnologisch interessante Proteine künftig besser gegen Sauerstoff schützen zu können.

Förderung

Die Arbeiten wurden maßgeblich unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv (EXC-2033, Projektnummer 390677874) und des Graduiertenkollegs GRK 2341 Microbial Substrate Conversion (Micon).

Prof. Dr. Thomas Happe
Arbeitsgruppe Photobiotechnologie
Fakultät für Biologie und Biotechnologie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 27026
E-Mail: thomas.happe@rub.de

Julian Esselborn, Leonie Kertess, Ulf-Peter Apfel, Eckhard Hofmann, Thomas Happe: Loss of specific active-site iron atoms in oxygen-exposed [FeFe]-hydrogenase determined by detailed X‑ray structure analyses, in: Journal of the American Chemical Society, 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b07808