Hydrogenasen können Wasserstoff genauso effizient umsetzen wie teure Platinkatalysatoren. Es sind in der Natur vorkommende Enzyme, etwa in Grünalgen, die sowohl Wasserstoff katalytisch herstellen als auch Wasserstoff spalten können. Die eigentliche chemische Reaktion finde „am aktiven Zentrum tief im Inneren des Enzyms statt“, erklärt Oliver Lampret aus der Arbeitsgruppe Photobiotechnologie an der Ruhr-Universität in Bochum (RUB): „Die für die Reaktion erforderlichen Elektronen und Protonen müssen also einen effizienten Weg dorthin finden.“
Der Elektronentransport erfolge dabei sozusagen über einen elektrischen Draht, der aus mehreren Eisen-Schwefel-Clustern bestehe. Die Protonen werden über einen Protonentransferpfad, bestehend aus fünf Aminosäuren und einem Wassermolekül, zum aktiven Zentrum befördert. „Es war zwar bekannt, dass es einen Protonen-gekoppelten Elektronentransfer-Mechanismus gibt, aber bislang hatten Forscher angenommen, dass die Kopplung erst am aktiven Zentrum selbst stattfindet“, so Thomas Happe, Leiter der Arbeitsgruppe Photobiotechnologie.
Das Team aus Wissenschaftlern der Ruhr-Universität Bochum und University of Oxford manipulierte die Hydrogenasen so, dass der Protonentransfer deutlich langsamer wurde, aber immer noch Wasserstoff umgesetzt werden konnte, heißt es in einer Mitteilung. Mit dynamischer Elektrochemie zeigten die Forscher, dass der Wasserstoffumsatz dadurch deutlich abnahm und außerdem Überspannungen nötig waren, um die Produktion oder Zerlegung von Wasserstoff zu katalysieren. „Durch Manipulation des Protonentransferpfades hatten die Forscherinnen und Forscher indirekt die Rate des Elektrontransfers vermindert.“
Da die zwei Transferwege räumlich voneinander getrennt seien, „gehen wir davon aus, dass eine kooperative Langstreckenkopplung beider Prozesse für eine effiziente Katalyse nötig ist“, resümiert Oliver Lampret. Die Erkenntnisse sollen dazu beitragen, effizientere miniaturisierte Hydrogenasen-Katalysatoren zu entwickeln.
Die Arbeiten wurden unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und von der Volkswagen-Stiftung.
Oliver Lampret et al.: The roles of long-range proton coupled electron transfer in the directionality and efficiency of [FeFe]-hydrogenases, in: Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020, DOI: 10.1073/pnas.2007090117
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Bochumer Forscher haben neue Einblicke in die Funktion Wasserstoff produzierender Enzyme erlangt. / © RUB, Marquard
