Nel loro centro catalitico, le idrogenasi producono idrogeno molecolare (H2) da due protoni e due elettroni. Estraggono i protoni necessari per questo processo dall'acqua circostante e li trasferiscono, tramite una catena di trasporto, nel loro nucleo catalitico. L'esatto percorso del protone attraverso l'idrogenasi non era ancora stato compreso. "Questo percorso di trasferimento è un pezzo di puzzle, cruciale per comprendere l'interazione tra cofattore e proteina, motivo per cui i biocatalizzatori sono molto più efficienti dei complessi chimici che producono idrogeno, " spiega il dottor Martin Winkler, uno degli autori di questo studio del gruppo di ricerca sulla fotobiotecnologia del RUB.

Per capire quali dei mattoni dell'idrogenasi sono coinvolti nel trasferimento di protoni, i ricercatori li hanno sostituiti individualmente. Hanno sostituito ciascuno da un amminoacido con una funzione simile o da un amminoacido disfunzionale. Così, Sono state create 22 varianti di due diverse idrogenasi. Successivamente, i ricercatori hanno confrontato quelle varianti per quanto riguarda diversi aspetti, comprese le loro proprietà spettroscopiche e la loro attività enzimatica. "Le strutture molecolari di dodici varianti proteiche, che sono stati risolti utilizzando l'analisi della struttura a raggi X, si è rivelato particolarmente informativo, "dice Winkler.

Gli amminoacidi senza funzione spengono le idrogenasi

A seconda di dove e come i ricercatori avevano modificato l'idrogenasi, la produzione di idrogeno è diventata meno efficiente o si è interrotta del tutto. "Così, abbiamo accertato perché alcune varianti sono gravemente compromesse in termini di attività enzimatica e perché altre non lo sono affatto - contro tutte le aspettative, "dice Martin Winkler.

Più vicini al centro catalitico si trovavano gli amminoacidi sostituiti, tanto meno l'idrogenasi era in grado di compensare queste modificazioni. Se gli elementi costitutivi senza alcuna funzione fossero incorporati in posizioni sensibili, la produzione di idrogeno è stata interrotta. "Lo stato così generato assomiglia a una sovrasaturazione dovuta allo stress protonico in cui i protoni e l'idrogeno vengono introdotti contemporaneamente nell'idrogenasi, " elabora Martin Winkler. "Nel corso del nostro progetto, siamo stati per la prima volta in grado di stabilizzare e analizzare questo stato altamente transitorio che avevamo già incontrato negli esperimenti".

Preziose informazioni di base

Questo studio ha permesso di assegnare le funzioni dei singoli amminoacidi alla via di trasferimento dei protoni per il gruppo enzimatico delle [FeFe] idrogenasi. "Inoltre, fornisce preziose informazioni sul meccanismo molecolare del trasferimento di protoni da parte di proteine ​​redox-attive e sui relativi requisiti strutturali, " conclude Thomas Happe.