Bahnbrechende Methode gibt Aufschluss über Enzymmechanismen
Wasserstoffproduzierende Enzyme, bekannt als [FeFe]-Hydrogenasen, sind die Blaupause der Natur für eine effiziente Wasserstoffumwandlung. Diese Enzyme kommen in Bakterien wie Desulfovibrio desulfuricans vor und arbeiten mit nahezu perfekter Effizienz bei minimalem Energieverlust. Ein zentrales Rätsel war bisher jedoch, wie ihre Eisen-Schwefel-Cluster ([FeS]) den Elektronentransfer während dieses Prozesses steuern, insbesondere, ob die Reduktion der Cluster während des katalytischen Zyklus protonengekoppelt ist.

In einer kürzlich im Journal of the American Chemical Society veröffentlichten Mitteilung haben Forscher*innen des MPI CEC und der Nankai-Universität ein neuartiges Elektrodensystem entwickelt, um diesen schwer fassbaren Mechanismus zu entschlüsseln, und damit wichtige Erkenntnisse für nachhaltige Energieanwendungen gewonnen.

Nanostrukturierte Elektroden erfassen schwer fassbare Signale
Mithilfe von nanostrukturierten Elektroden, die mit Indiumzinnoxid (ITO) funktionalisiert wurden, gelang es dem Team, insbesondere dem Gaststudenten und CSC-Stipendiaten Yanxin Gao, der die Elektrodenmessungen am MPI CEC durchführte, erstmals die „nicht umsetzbaren” elektrochemischen Signale aller drei [4Fe4S]-Cluster in [FeFe]-Hydrogenase nachzuweisen. Diese bahnbrechende Technik ermöglichte die präzise Messung der Reduktionspotenziale der Cluster, also im Wesentlichen ihrer Bereitschaft, Elektronen aufzunehmen. Die ITO-Plattform ermöglichte eine stabile Enzymbindung und eine hochempfindliche Detektion, wodurch die Einschränkungen früherer Methoden überwunden wurden. Durch die Analyse dieser Signale quantifizierten die Wissenschaftler*innen unter der Leitung von Olaf Rüdiger, Gruppenleiter am MPI CEC, die Enzymkonzentrationen auf der Elektrode und bestätigten, dass der Elektronentransfer zwischen den Clustern und der Elektrodenoberfläche effizient erfolgt.

pH-Abhängigkeit deutet auf indirekte Protonenkontrolle hin
Eine zentrale Debatte dreht sich um die Frage, ob Protonen während der Katalyse direkt an die [4Fe4S]-Cluster binden. Überraschenderweise zeigte die Studie nur eine moderate pH-Abhängigkeit (~30 mV pro pH-Einheit) der Reduktionspotenziale der Cluster. Diese schwache Reaktion deutet darauf hin, dass Aminosäuren in der zweiten Koordinationssphäre des Enzyms das Verhalten der Cluster durch elektrostatische Effekte feinabstimmen. Diese empfindliche „Redox-Abstimmung” optimiert die Fähigkeit des Enzyms, über einen weiten pH-Bereich nahe am thermodynamischen Ideal zu arbeiten. Das ist ein wesentliches Merkmal für seine bemerkenswerte Effizienz.

Echtzeit-Enzymaktivierung und zukünftige Auswirkungen
Das Team demonstrierte auch eine schnelle in situ-Reifung des Enzyms auf der Elektrode, wo das inaktive „Apoenzym” seinen katalytischen Subcluster 50-mal schneller als in Lösung einbaute. Dieser durch die ITO-Elektrode ermöglichte Nanokonfinierungseffekt ermöglichte die direkte Messung der Umsatzfrequenz des Enzyms (bis zu 227 Reaktionen pro Sekunde).

Diese Erkenntnisse liefern ein leistungsfähiges Instrumentarium für die Untersuchung von Metalloenzymen und die Entwicklung bioinspirierter Katalysatoren. Wie die MPI CEC-Wissenschaftler*innen Serena DeBeer und Olaf Rüdiger betonen: „Das Verständnis, wie die Natur den Energieverlust bei der Wasserstoffumwandlung minimiert, bringt uns skalierbaren Lösungen für grüne Energie näher.”

Die vollständige Studie ist unter CC-BY 4.0 über die American Chemical Society frei zugänglich.

Original Paper:
Decoding the Elusive Redox Properties of [FeS] Clusters in [FeFe]-Hydrogenase on a Nanostructured Electrode. Yanxin Gao, Lei Wan, Serena DeBeer, Liyun Zhang, and Olaf Rüdiger. Journal of the American Chemical Society, J. Am. Chem. Soc. 2025, XXXX, XXX, XXX-XXX DOI: 10.1021/jacs.5c12671 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c12671