Spektroskopisches Verfahren ermöglicht genauere Einblicke in die Wasserstoffumwandlung
Parawasserstoffverstärkte Magnetresonanzspektroskopie macht Ablauf der [Fe]-Hydrogenase-Katalyse sichtbar
Mikroorganismen nutzen Wasserstoff schon lange als Energiequelle. Der Schlüssel dazu sind Hydrogenasen, die Metalle wie Nickel oder Eisen in ihrem katalytischen Zentrum tragen. Um die Biokatalysatoren in Zukunft für die Wasserstoffumwandlung nutzen zu können, arbeiten Forschende weltweit daran, den genauen Ablauf des Katalyseprozesses aufzuklären. Ein Team aus drei Max-Planck-Instituten (MPI), dem Center for Biostructural Imaging of Neurodegeneration (BIN) der Universitätsmedizin Göttingen (UMG), der Universität Kiel und der FAccTs GmbH nutzte eine chemische Besonderheit des Wasserstoffs, um die Signale der Magnetresonanzspektroskopie zu verstärken. So gelang es, bisher unbekannte Zwischenschritte der Wasserstoffumwandlung sichtbar zu machen.
![Geometrie-optimierte Struktur der Eisen-Hydrid-Spezies, die während der Wasserstoffaktivierung durch die [Fe]-Hydrogenase gebildet wird. Die beiden hell leuchtend dargestellten Wasserstoffatome wurden signalverstärkt zur indirekten Detektion mittels Kernspinresonanzspektroskopie während der Katalyse.](/1483902/original-1734076066.jpg?t=eyJ3aWR0aCI6ODQ4LCJmaWxlX2V4dGVuc2lvbiI6ImpwZyIsIm9ial9pZCI6MTQ4MzkwMn0%3D--c03b95d3ca5894c507d85fde07815ea5151eafd9 "Geometrie-optimierte Struktur der Eisen-Hydrid-Spezies, die während der Wasserstoffaktivierung durch die [Fe]-Hydrogenase gebildet wird. Die beiden hell leuchtend dargestellten Wasserstoffatome wurden signalverstärkt zur indirekten Detektion mittels Kernspinresonanzspektroskopie während der Katalyse.")
![Geometrie-optimierte Struktur der Eisen-Hydrid-Spezies, die während der Wasserstoffaktivierung durch die [Fe]-Hydrogenase gebildet wird. Die beiden hell leuchtend dargestellten Wasserstoffatome wurden signalverstärkt zur indirekten Detektion mittels Kernspinresonanzspektroskopie während der Katalyse.](/1483902/original-1734076066.jpg?t=eyJ3aWR0aCI6MjQ2LCJvYmpfaWQiOjE0ODM5MDJ9--54e898e01f5f72f2ecb1cba82014ae586fca530d)
Als Ersatz für fossile Brennstoffe, Energieträger oder Katalysator in chemischen Prozessen – Wasserstoff gilt als guter Kandidat für eine nachhaltige Energiewirtschaft. Auf der Erde kommt das Element vor allem in gebundener Form vor, in Wasser, als Wasserstoffgas oder in fossilen Rohstoffen wie Erdgas und Erdöl. Um Wasserstoff in reiner Form zu gewinnen, muss er mithilfe von Energie aus der chemischen Verbindung abgespalten werden. Das derzeit am weitesten verbreitete Verfahren zur Wasserstoffherstellung ist die Dampfreformierung von Erdgas. Dabei entsteht jedoch auch klimaschädliches Kohlendioxid (CO2). Bei der katalytischen Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser wiederum werden bisher meist Elektroden aus dem Edelmetall Platin eingesetzt. Das macht die Wasserstoffproduktion mittels Katalyse vergleichsweise teuer.
Viele Mikroorganismen haben diesen Prozessen etwas voraus. Um zur Energiegewinnung Wasserstoff abzuspalten, nutzen sie drei verschiedene Typen von Hydrogenasen, die ohne Edelmetalle funktionieren und kein CO2 freisetzen: [NiFe]-Hydrogenasen aus Archaeen und Bakterien, [FeFe]-Hydrogenasen aus Bakterien, manchen Algen und manchen anaeroben Archaeen sowie [Fe]-Hydrogenasen, die nur in Archaeen vorkommen. Letztere spielen eine Schlüsselrolle in der Methanogenese, bei der CO2 zu Methan (CH4) reduziert wird. Die homodimere [Fe]-Hydrogenase enthält pro Untereinheit ein redox-inaktives Eisen (Fe), das an einen Guanylylpyridinol-Kofaktor gebunden ist.
![Mitte: Katalytischer Zyklus der [Fe]-Hydrogenase mit empfindlichkeitsgesteigerten Spezies farbig hervorgehoben. Rechts: Single-Scan-NMR-Spektrum mit Wasserstoffsignalen für Wasserstoff (H2) und Wasserstoffdeuterid (HD) nach Freisetzung aus dem Enzym. Links: Überlagerung von gemessenen und simulierten PHIP-CEST (Parahydrogen Enhanced Chemical Shift Saturation Transfer)-Daten, die direkt an das Enzym gebundenen Wasserstoffatome untersuchen.](/1483928/original-1734076066.jpg?t=eyJ3aWR0aCI6ODQ4LCJmaWxlX2V4dGVuc2lvbiI6ImpwZyIsIm9ial9pZCI6MTQ4MzkyOH0%3D--b7844b6ae01e8e1a4e7088fd51efab697315408a "Mitte: Katalytischer Zyklus der [Fe]-Hydrogenase mit empfindlichkeitsgesteigerten Spezies farbig hervorgehoben. Rechts: Single-Scan-NMR-Spektrum mit Wasserstoffsignalen für Wasserstoff (H2) und Wasserstoffdeuterid (HD) nach Freisetzung aus dem Enzym. Links: Überlagerung von gemessenen und simulierten PHIP-CEST (Parahydrogen Enhanced Chemical Shift Saturation Transfer)-Daten, die direkt an das Enzym gebundenen Wasserstoffatome untersuchen.")
![Mitte: Katalytischer Zyklus der [Fe]-Hydrogenase mit empfindlichkeitsgesteigerten Spezies farbig hervorgehoben. Rechts: Single-Scan-NMR-Spektrum mit Wasserstoffsignalen für Wasserstoff (H2) und Wasserstoffdeuterid (HD) nach Freisetzung aus dem Enzym. Links: Überlagerung von gemessenen und simulierten PHIP-CEST (Parahydrogen Enhanced Chemical Shift Saturation Transfer)-Daten, die direkt an das Enzym gebundenen Wasserstoffatome untersuchen.](/1483928/original-1734076066.jpg?t=eyJ3aWR0aCI6MjQ2LCJvYmpfaWQiOjE0ODM5Mjh9--775ba4f8c4ab99fca0efb3ebc0d996c998c40a58)
Während Zwischenprodukte im katalytischen Zyklus von [NiFe]-Hydrogenasen und [FeFe]-Hydrogenasen bereits gut untersucht sind, waren die katalytischen Zwischenprodukte von [Fe]-Hydrogenasen nicht nachweisbar – bis jetzt. Forschende um Stefan Glöggler (MPI für Multidisziplinäre Naturwissenschaften (MPI-NAT) und BIN der UMG, Lukas Kaltschnee (MPI-NAT und BIN der UMG; aktuell an der TU Darmstadt), Christian Griesinger (MPI-NAT) und Seigo Shima (MPI für Terrestrische Mikrobiologie) haben jetzt zusammen mit Kolleginnen und Kollegen des MPI für Kohlenforschung, der Universität Kiel und der FAccTs GmbH die Zwischenprodukte in der von [Fe]-Hydrogenasen katalysierten Reaktion erstmals beobachtet.
Dabei machten sich die Forschenden zunutze, dass Wasserstoff abhängig von seinem Kernspin als sogenannter Parawasserstoff und Orthowasserstoff vorkommt. Sie zeigten, dass es bei der Magnetresonanzspektroskopie zu einer Signalverstärkung kommt, wenn die [Fe]-Hydrogenase mit Parawasserstoff reagiert. Diese sogenannte Parawasserstoff-induzierte Polarisation (PHIP) ermöglichte es, die Zwischenprodukte der Reaktion zu identifizieren und sichtbar zu machen, wie die [Fe]-Hydrogenase den Wasserstoff während der Katalyse bindet. Die Daten weisen darauf hin, dass während der Katalyse ein Hydrid am Eisenzentrum gebildet wird. Die neue Methode ermöglichte es auch, die Bindungskinetik zu untersuchen. Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit ist die PHIP nicht zuletzt vielversprechend, um sie auf lebende Zellen anzuwenden und den Wasserstoffmetabolismus in vivo zu erforschen. Die Ergebnisse könnten zukünftig dazu beitragen, (Bio-)Katalysatoren zur Wasserstoffumwandlung mit höherer Produktivität zu entwickeln.
