Новости химической науки > Получение новых, более эффективных гидрогеназ

Прорыв в изучении искусственных ферментов может оказаться полезным подспорьем для исследователей в области водородной энергетики – синтез катализаторов, способных обеспечивать получения молекулярного водорода для топливных энергетических элементов, получения жидкого топлива, полезных химических веществ и других практически полезных технологий.

Новая синтетическая версия фермента обеспечивает производительность, сравнимую с производительностью природного фермента.

Ферменты-гидрогеназы можно считать чемпионами по синтезу водорода. Проблема в том, что лишь бактерии и одноклеточные водоросли, способные к метаболизации водорода, знают секрет синтеза правильных гидрогеназ. Исследователи уже неоднократно пытались получить железосодержащие кластеры, которые имитируют работу каталитически активного центра гидрогеназ, однако активность синтетических аналогов до настоящего времени значительно уступала активности природных белковых катализаторов.

В попытке выяснить причину этих неудач исследователи из групп Марка Фонткава (Marc Fontecave) из Университета Гренобля и Томаса Хаппе (Thomas Happe) из Университета Рура попытались внедрить один из синтетических аналогов, дитиолятный комплекс дижелеза, содержащий карбонильные и цианидные лиганды в гидрогеназу природного происхождения. К удивлению исследователей, было обнаружено, что комплекс дижелеза может быть инкорпорирован в фермент неожиданно просто.

Кластер дижелеза (справа), который катализирует образование H₂, может распознать и связаться с железо-серным кластером, дополняя активный центр фермента-гидрогеназы. (Рисунок из Nat. Chem. Biol. 2013, DOI:10.1038/nchembio.1311)

В ходе биосинтеза природной гидрогеназы для ее «вызревания» требуются три фермента-матуразы (maturase enzymes) – они участвуют в созданиии, транспорте и введении комплекса дижелеза в предорганизованный железо-серный кластер в скелете гидрогеназы. В июне исследователи сообщили, что подпитка синтетическим комплексом дижелеза одной из матураз приводит к внедрению дижелеза в активный центр гидрогеназы без необходимости участия двух других матураз [1], в результате чего получалась гидрогеназа, активная как и гидрогеназа природного происхождения.

Последующее исследование показало, что для встройки дижелеза в железо-серный фрагмент может происходить и вообще без участия ферментов-матураз [2]. После введения синтетического кластера дижелеза к скелету гидрогеназы в простой пробирке кластер дижелеза смог самостоятельно найти нужное положение в активном центре и разместиться в нем таким образом, что активный центр стал идеально готов для получения водорода H₂. Весь процесс сборки фермента занимал несколько минут.

Марчетта Даренсбург (Marcetta Y. Darensbourg), изучающая синтетические аналоги гидрогеназ, отмечает, что результаты Фонткава и Хаппе являются великолепными новостями для всего научного сообщества, изучающего этот тип ферментов – такое, мягко говоря, неожиданное поведение синтетических ферментов является вызовом и для химиков и для биологов.

Исключение из реакции последников-матураз работает и для бактериальных гидрогеназ, и для гидрогеназ водорослей, поэтому исследователи уверены, что обнаруженное самопроизвольное образование кластеров может стать общим подходом для синтеза искусственных ферментов, позволяющих получать водород.

Источники: [1] Nature 2013, DOI: 10.1038/nature12239; [2] Nat. Chem. Biol. 2013, DOI:10.1038/nchembio.1311

метки статьи: #биохимия, #кинетика и катализ, #молекулярная биология, #неорганическая химия