Dans leur centre catalytique, les hydrogénases fabriquent de l'hydrogène moléculaire (H2) à partir de deux protons et de deux électrons. Ils extraient les protons nécessaires à ce processus de l'eau environnante et les transfèrent – ​​via une chaîne de transport – dans leur cœur catalytique. La voie exacte du proton à travers l'hydrogénase n'avait pas encore été comprise. "Cette voie de transfert est une pièce de puzzle, crucial pour comprendre l'interaction du cofacteur et de la protéine qui est la raison pour laquelle les biocatalyseurs sont tellement plus efficaces que les complexes chimiques produisant de l'hydrogène, " explique le Dr Martin Winkler, l'un des auteurs de cette étude du groupe de recherche Photobiotechnology au RUB.

Afin de déterminer lesquels des éléments constitutifs de l'hydrogénase sont impliqués dans le transfert de protons, les chercheurs les ont substitués individuellement. Ils ont chacun remplacé soit par un acide aminé ayant une fonction similaire, soit par un acide aminé dysfonctionnel. Ainsi, 22 variantes de deux hydrogénases différentes ont été créées. Ensuite, les chercheurs ont comparé ces variantes sous différents aspects, y compris leurs propriétés spectroscopiques et leur activité enzymatique. "Les structures moléculaires de douze variantes de protéines, qui ont été résolus à l'aide d'une analyse de structure aux rayons X, s'est avéré particulièrement instructif, " dit Winkler.

Les acides aminés sans fonction arrêtent les hydrogénases

Selon où et comment les chercheurs avaient modifié l'hydrogénase, la production d'hydrogène est devenue moins efficace ou s'est arrêtée complètement. "Ainsi, nous avons déterminé pourquoi certaines variantes sont gravement altérées en termes d'activité enzymatique et pourquoi d'autres sont à peine altérées - contre toute attente, " dit Martin Winkler.

Plus les acides aminés remplacés étaient proches du centre catalytique, moins l'hydrogénase était capable de compenser ces modifications. Si des blocs de construction sans fonction étaient intégrés dans des emplacements sensibles, la production d'hydrogène a été arrêtée. "L'état ainsi généré ressemble à une sursaturation due au stress protonique où des protons ainsi que de l'hydrogène sont introduits simultanément dans l'hydrogénase, " précise Martin Winkler. " Au cours de notre projet, nous avons pu pour la première fois stabiliser et analyser cet état hautement transitoire que nous avions déjà rencontré lors d'expériences."

Informations de base précieuses

Cette étude a permis d'attribuer les fonctions d'acides aminés individuels à la voie de transfert de protons pour le groupe enzymatique des hydrogénases [FeFe]. "De plus, il fournit des informations précieuses sur le mécanisme moléculaire du transfert de protons par les protéines à activité redox et leurs exigences structurelles, " conclut Thomas Happe.