Un team di ricerca internazionale del gruppo di ricerca sulla fotobiotecnologia della Ruhr-Universität Bochum (RUB) guidato dal professor Thomas Happe e dal Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS) di Marsiglia è stato in grado di andare a fondo di questa caratteristica unica. Descrivono il meccanismo molecolare in Comunicazioni sulla natura il 2 febbraio 2021.

L'enzima sopravvive ripetutamente all'attacco illeso

I rappresentanti del gruppo enzimatico [FeFe]-idrogenasi combinano protoni ed elettroni per formare idrogeno molecolare a tassi di turnover particolarmente elevati. Alcuni di loro usano persino la luce solare come fonte di energia primaria per questo. Però, anche basse concentrazioni di ossigeno portano rapidamente alla rottura irreversibile del cofattore catalitico, chiamato cluster H. "Finora questo è stato osservato in tutti i rappresentanti di questo gruppo di enzimi, ad eccezione del CbA5H. Questo enzima ha un meccanismo molecolare che gli consente di sopravvivere ripetutamente indenne all'attacco dell'ossigeno, "dice Thomas Happe.

In collaborazione con il professor Eckhard Hofmann, capo del gruppo Cristallografia proteica al RUB, i ricercatori hanno scoperto il trucco dell'enzima analizzando la sua struttura cristallina. "Nell'enzima attivo, il sito di legame del substrato aperto di solito rappresenta il punto principale di attacco per l'ossigeno, " spiega il dottor Martin Winkler, uno dei ricercatori RUB coinvolti. In CbA5H, questo sito normalmente accessibile è protetto dall'aria:in condizioni ossidative il gruppo tiolico di un residuo di cisteina, che era già noto per il suo coinvolgimento nella mediazione protonica nel sito attivo delle [FeFe]-idrogenasi, si lega direttamente al sito di coordinazione del substrato libero del cluster catalitico 2FeH. Il punto di accesso è quindi bloccato per l'ossigeno fintanto che l'ossigeno ambientale aumenta il potenziale redox.

Non appena l'ossigeno viene rimosso dalla miscela di gas ambiente e il potenziale redox diminuisce, il gruppo tiolico si stacca dal sito di legame del substrato del sito attivo e l'enzima riprende indenne la sua attività catalitica. "Questa idrogenasi può adottare ripetutamente lo stato protetto, a differenza di tutte le altre [FeFe]-idrogenasi conosciute, " spiega Thomas Happe.

La differenza dagli altri enzimi

Inizialmente non era chiaro perché specificamente CbA5H esibisse questa funzione protettiva, mentre altre [FeFe]-idrogenasi molto simili, che forniscono anche questo residuo di cisteina nello stesso posto come parte della catena di mediazione protonica mancano di questa importante caratteristica. Un'ispezione più attenta della struttura cristallina di CbA5H nello stato protetto dall'ossigeno ha mostrato che la sezione della catena proteica che trasporta questa cisteina è spostata verso il sito di legame del substrato vicino al cofattore attivo. Rispetto alle [FeFe]-idrogenasi sensibili all'ossigeno come CpI da Clostridium pasteurianum, i ricercatori di RUB sono stati in grado di identificare tre amminoacidi più piccoli in CbA5H vicino alla sezione spostata della catena polipeptidica, che gli conferiscono una maggiore libertà di movimento. Gli esami di spettroscopia elettrochimica e infrarossa di varianti proteiche con scambi singoli e doppi in queste posizioni hanno confermato l'importanza di questi amminoacidi per l'unico, meccanismo del cappuccio di sicurezza molecolare controllato dal potenziale di CbA5H.

"Poiché ora conosciamo le condizioni strutturali di questo meccanismo di protezione, dovrebbe essere possibile trasferire anche la vantaggiosa proprietà di resistenza all'ossigeno da CbA5H ad altre [FeFe]-idrogenasi, "dice il dottor Jifu Duan, un altro membro del gruppo di ricerca sulla fotobiotecnologia. "Se questo ha successo, saremmo un passo importante verso l'utilizzo di [FeFe]-idrogenasi come biocatalizzatori di idrogeno, " conferma Thomas Happe.