I ricercatori della Ruhr-Universität Bochum e della Freie Universität Berlin hanno chiarito il passaggio catalitico cruciale nella produzione di idrogeno da parte degli enzimi. Gli enzimi, chiamate [FeFe]-idrogenasi, trasforma efficacemente elettroni e protoni in idrogeno. Sono quindi un candidato per la produzione biotecnologica della potenziale fonte di energia. "Per produrre idrogeno su scala industriale con l'ausilio di enzimi, dobbiamo capire con precisione come funzionano, "dice il prof. Thomas Happe, uno degli autori dello studio.

Il team guidato da Happe e dal dott. Martin Winkler del gruppo di lavoro sulla fotobiotecnologia con sede a Bochum riporta sulla rivista i risultati con i colleghi con sede a Berlino guidati dal dott. Sven Stripp Comunicazioni sulla natura .

L'enzima agisce in due direzioni

Le idrogenasi possono agire in due direzioni:trasformano protoni ed elettroni in idrogeno, e anche dividere l'idrogeno in protoni ed elettroni. Queste reazioni avvengono al centro attivo dell'idrogenasi, che è una struttura complessa composta da sei atomi di ferro e sei di zolfo, chiamato cluster H. Durante il processo catalitico, questo cluster passa attraverso numerosi stati intermedi.

Quando l'idrogeno molecolare (H2) viene diviso, la molecola di idrogeno inizialmente si lega all'ammasso H. "I ricercatori dell'idrogenasi erano sempre convinti che l'H2 dovesse dividersi in modo non uniforme nella prima fase della reazione, " spiega Martin Winkler. L'idea:vengono creati un protone caricato positivamente (H+) e uno ione idruro caricato negativamente (H-), che poi continuano a reagire velocemente per formare due protoni e due elettroni. "Lo stato idruro dell'enzima attivo, in cui lo ione idruro è così legato al centro attivo, è altamente instabile - finora nessuno è stato in grado di verificarlo, " dice Winkler. Questo è esattamente ciò che i ricercatori hanno ora raggiunto.

Il trucco rende visibile lo stato instabile

Usando un trucco, hanno aumentato lo stato del cluster H con lo ione idruro, in modo che possa essere verificato spettroscopicamente. Quando l'idrogeno viene scisso, viene raggiunto un equilibrio chimico tra i partner di reazione coinvolti - protoni, ioni idruro e molecole di idrogeno. Le concentrazioni dei tre stati dell'idrogeno sono determinate da un equilibrio dinamico di stati catalitici dell'ammasso H. Quando i ricercatori hanno aggiunto grandi quantità di protoni e idrogeno alla miscela dall'esterno, hanno fatto pendere la bilancia, a favore dello stato idruro. Il centro attivo con lo ione idruro caricato negativamente si è accumulato in quantità maggiore; abbastanza per essere misurabile.

Il team ha anche dimostrato lo stato intermedio dell'idruro, che si verifica anche durante la produzione di idrogeno, in ulteriori esperimenti con idrogenasi che erano state alterate in modo specifico.

"Siamo stati così in grado di dimostrare per la prima volta il principio catalitico di queste idrogenasi in un esperimento, " riassume Thomas Happe. "Questo fornisce una base cruciale per riprodurre il meccanismo catalitico altamente efficace del cluster H per la produzione industriale di idrogeno." Gli enzimi possono convertire fino a 10, 000 molecole di idrogeno al secondo.