Une équipe internationale de recherche du Groupe de Recherche en Photobiotechnologie de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) dirigée par le Professeur Thomas Happe et le Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS) à Marseille a pu aller au fond de cette caractéristique unique. Ils décrivent le mécanisme moléculaire dans Communication Nature le 2 février 2021.

Enzyme survit à plusieurs reprises à l'attaque indemne

Des représentants du groupe d'enzymes [FeFe]-hydrogénase combinent des protons et des électrons pour former de l'hydrogène moléculaire à des taux de renouvellement particulièrement élevés. Certains d'entre eux utilisent même la lumière du soleil comme source d'énergie principale pour cela. Cependant, même de faibles concentrations en oxygène conduisent rapidement à la rupture irréversible du cofacteur catalytique, appelé le cluster H. « Cela a jusqu'à présent été observé chez tous les représentants de ce groupe d'enzymes, à l'exception de CbA5H. Cette enzyme possède un mécanisme moléculaire qui lui permet de survivre à plusieurs reprises à l'attaque de l'oxygène sans être endommagé, " dit Thomas Happé.

En collaboration avec le professeur Eckhard Hofmann, chef du groupe Cristallographie des Protéines au RUB, les chercheurs ont découvert l'astuce de l'enzyme en analysant sa structure cristalline. "Dans l'enzyme active, le site de liaison au substrat ouvert représente généralement le principal point d'attaque de l'oxygène, " explique le Dr Martin Winkler, l'un des chercheurs RUB impliqués. En CbA5H, ce site normalement accessible est à l'abri de l'air :en conditions oxydantes le groupe thiol d'un résidu cystéine, qui était déjà connue pour son implication dans la médiation protonique au site actif des [FeFe]-hydrogénases, se lie directement au site de coordination du substrat libre du cluster catalytique 2FeH. Le point d'accès est donc bloqué pour l'oxygène tant que l'oxygène ambiant augmente le potentiel redox.

Dès que l'oxygène est retiré du mélange gazeux ambiant et que le potentiel redox diminue, le groupe thiol est détaché du site de liaison au substrat du site actif et l'enzyme reprend son activité catalytique indemne. "Cette hydrogénase peut adopter l'état protégé à plusieurs reprises, contrairement à toutes les autres [FeFe]-hydrogénases connues, " explique Thomas Happe.

La différence avec les autres enzymes

Au départ, il n'était pas clair pourquoi spécifiquement CbA5H présente cette fonction protectrice, tandis que d'autres [FeFe]-hydrogénases très similaires, qui fournissent également ce résidu de cystéine au même endroit dans le cadre de la chaîne de médiation protonique n'ont pas cette caractéristique importante. Une inspection plus approfondie de la structure cristalline de CbA5H à l'état protégé contre l'oxygène a montré que la section de la chaîne protéique portant cette cystéine est déplacée vers le site de liaison au substrat près du cofacteur actif. Par rapport aux [FeFe]-hydrogénases sensibles à l'oxygène telles que CpI de Clostridium pasteurianum, les chercheurs du RUB ont pu identifier trois acides aminés plus petits dans CbA5H près de la section décalée de la chaîne polypeptidique, qui lui offrent une plus grande liberté de mouvement. Les examens par spectroscopie électrochimique et infrarouge de variants de protéines avec des échanges simples et doubles dans ces positions ont confirmé l'importance de ces acides aminés pour l'unique, mécanisme de capuchon de sécurité moléculaire contrôlé par le potentiel de CbA5H.

"Comme nous connaissons maintenant les conditions structurelles de ce mécanisme de protection, il devrait être possible de transférer également la propriété avantageuse de résistance à l'oxygène de CbA5H à d'autres [FeFe]-hydrogénases, " dit le Dr Jifu Duan, un autre membre du Groupe de recherche en photobiotechnologie. « Si cela réussit, nous serions une étape majeure vers l'utilisation des [FeFe]-hydrogénases comme biocatalyseurs d'hydrogène, " confirme Thomas Happe.