Wie Sauerstoff das Herzstück wichtiger Enzyme zerstört

Neue Erkenntnisse sollen helfen, Wasserstoff produzierende Enzyme künftig vor schädlichem Sauerstoff zu schützen – interessant für die Biotechnologie.

Bestimmte Enzyme, wie die Wasserstoff produzierenden Hydrogenasen, sind in Anwesenheit von Sauerstoff instabil. Woran das liegt, haben Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) auf atomarer Ebene aufgeklärt.

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 Forscher, biotechnologisch interessante Proteine künftig besser gegen Sauerstoff schützen zu können.