Команда из Рурского университета Бохума и Оксфордского университета обнаружила, как ферменты, производящие водород, называемые гидрогеназами, активируются во время их биосинтеза. Они показали, как кофактор - часть активного центра, а также сердцевина фермента - внедряется внутрь.
Гидрогеназы представляют интерес для биотехнологии, поскольку они способны эффективно производить водород. «Чтобы оптимизировать их для промышленного применения, нам сначала нужно понять процесс того, как белковая оболочка поглощает и активирует химический кофактор», - говорит профессор Томас Хаппе. Группа под руководством Оливера Лампрета и Томаса Хаппе из Бохумской исследовательской группы по фотобиотехнологии опубликовала результаты в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, сокращенно PNAS, 23 июля 2019 года.
Исследователи исследовали подгруппу [FeFe]-гидрогеназ, которые являются наиболее эффективными производителями водорода. В природе их можно найти в зеленых водорослях. Внутри своего белкового каркаса ферменты имеют активный центр, так называемый Н-кластер, где вырабатывается водород. Он состоит из двух структурных элементов: кластера, содержащего четыре атома железа и четыре атома серы, и каталитического кофактора, состоящего из двух атомов железа и двух атомов серы. «Этот кофактор является стержнем фермента», - объясняет Оливер Лампрет.
Заключительный этап биосинтеза
В природе кофактор впоследствии включается в фермент после биосинтеза белкового каркаса - очень сложного процесса. Только тогда гидрогеназа становится каталитически активной. Исследователи выяснили точную последовательность процесса с помощью белковой инженерии, электрохимии белковых пленок и инфракрасной спектроскопии.
Команда показала, что отрицательно заряженный кофактор специфически транспортируется через положительно заряженный канал созревания внутрь фермента, прежде чем он прочно заякорится в белковой оболочке. Особенно гибкие структурные элементы действуют здесь как шарниры, гарантируя, что белок складывается по-разному, прочно обволакивает и защищает интегрированный кофактор. Взаимодействие белкового окружения и кофактора необходимо для стабилизации кофактора в его каталитической форме.
«Мы предполагаем, что таким образом не только [FeFe]-гидрогеназы получают свой кофактор, но и что этот механизм также имеет место в других ферментах, содержащих металлы», - говорит Хаппе.