Hydrogenasen fangen Protonen offenbar mit einem Histidin-Pendel

Bestimmte Enzyme aus Mikroorganismen können Wasserstoff herstellen und fangen dafür fast 10.000 Protonen pro Sekunde ein. Wie sie das schaffen, hat ein Team der Photobiotechnologie der Ruhr-Universität Bochum untersucht. Nach den Befunden arbeitet an der Enzymoberfläche eine Art Pendel aus zwei Histidinen, einer Aminosäure.

Die Arbeit erschien am 17. Oktober 2026 im Journal of the American Chemical Society. Protonen sind positiv geladene Wasserstoffatome. Fast alle Stoffwechselprozesse benötigen sie. Obwohl sie in der Zellflüssigkeit reichlich vorkommen, brauchen die beteiligten Biokatalysatoren eigene Mechanismen, um sie einzufangen und zum Ort der Reaktion zu bringen.

Zink als Werkzeug: ein Hemmstoff zeigt die Schwachstelle

Den Zugang zum Mechanismus fand das Team über Zink. Das Metall steckt natürlicherweise in vielen Biokatalysatoren. Es kann aber auch Stellen besetzen, an denen eigentlich Protonen binden sollen. Erstautor Jifu Duan sagt, das blockiere dann das Enzym.

Untersucht wurden sogenannte [FeFe]-Hydrogenasen. Kristallstrukturen zeigten, dass Zink an mehreren Stellen dieser Enzyme bindet. Gehemmt wurde das Enzym aber nur an einer bestimmten Stelle. Sie liegt nahe am bereits bekannten Weg, auf dem die Protonen durch das Enzym wandern.

Die Metallionen blockieren nach Angaben des Teams zwei Histidine auf der Enzymoberfläche. Histidine in Enzymen binden bekanntermaßen Protonen, ihre Rolle in den [FeFe]-Hydrogenasen war bisher aber nicht untersucht. Im Fachartikel ist genauer von drei Positionen am Eingang des Transportwegs die Rede, an denen Metallionen die Enzyme der Gruppe A hemmen.

Methode: gezielter Austausch einzelner Bausteine

Die Enzyme stammen aus Mikroorganismen und stellen Wasserstoff her, indem sie Elektronen mit Protonen kombinieren. Das Team ersetzte einzelne Aminosäuren und beobachtete, was mit der Aktivität passierte. Dazu kombinierte es Proteinkristallografie, Wasserstoffproduktionstests, Elektrochemie und Molekularsimulationen. Als Modell diente unter anderem das Enzym CpI aus dem Bakterium Clostridium pasteurianum. Die Hydrogenasen werden in Gruppen eingeteilt, die neuere Stammbaumanalysen aufgezeigt haben. Von den Mitgliedern anderer Gruppen sind bisher nur wenige untersucht.

Ergebnisse: wie das Pendel schwingt

Ersetzte das Team eines der beiden Histidine, blieb das Enzym sehr aktiv, reagierte aber nicht mehr auf Zink. In der Fachpublikation ist dies die Position H565 im Enzym CpI, das Ergebnis ist eine metallunempfindliche Variante mit Aktivität wie beim Normalenzym. Tauschte es dagegen das andere Histidin aus, bildete das Enzym nur noch sehr langsam Wasserstoff. Auch der Austausch der Positionen S320 und H569 in CpI und der entsprechenden Positionen in weiteren Enzymen der Gruppe A senkte die Aktivität deutlich und erforderte eine große Überspannung.

Aus diesen Messungen entwickelten die Forschenden das Bild vom Pendel. Schwingt das eine Histidin zur Enzymoberfläche, nimmt es von dem anderen Histidin ein Proton entgegen. Bewegt es sich ins Enzyminnere, übergibt es das Proton dem schon bekannten Transportpfad. Das Pendel hat einen festen Drehpunkt in Form einer weiteren Aminosäure. Sie fiel dem Team erst bei der genauen Analyse der Kristallstrukturen auf.

Die Kristallstrukturen von CpI zeigen, dass das Histidin H569, verankert durch E278, in zwei Anordnungen vorliegen kann. Theoretische Berechnungen stützen den vorgeschlagenen Mechanismus. Es handelt sich um einen Vorschlag, der zu den Daten passt, nicht um eine direkte Beobachtung des Pendels in Aktion.

Das Pendel kommt nach den Suchergebnissen des Teams nur in der Gruppe A vor, wie Thomas Happe berichtet. Nur Mitglieder dieser Gruppe leisten offenbar die besonders hohen Umsatzraten. Das Team glaubt, dass die beiden Histidine für das schnelle Einfangen der Protonen verantwortlich sind.

Einordnung

Ein Übersichtsartikel von 2023 im Journal of Biological Inorganic Chemistry hielt fest, die hohen Umsatzraten der [FeFe]-Hydrogenasen und das Fehlen einer elektrischen Überspannung bei der Wasserstoffumsetzung hätten viele Forschende angeregt. Der Beitrag blickt aus persönlicher Sicht der Autoren auf 25 Jahre Forschung zu diesen Enzymen zurück.

Wie die Protonen im Enzym wandern, war schon vorher Thema. Eine Studie von 2018 in Nature Communications hielt fest, die Umsatzraten dieser Enzyme verlangten einen außergewöhnlich effizienten Protonentransportweg zwischen Wasser und aktivem Zentrum. In der Literatur waren vier mögliche Wege diskutiert worden, die Annahme zum wahrscheinlichsten Weg stützte sich vor allem auf theoretische Arbeiten. Direkte experimentelle Belege fehlten, die Autoren legten sie nach eigener Darstellung vor. Sie untersuchten 22 Varianten von zwei [FeFe]-Hydrogenasen und lösten für 11 davon die Kristallstruktur. In den Varianten verschob sich das pH-Optimum zu niedrigeren Werten, ein Hinweis darauf, dass die gestörte Protonenübertragung durch mehr Protonen zumindest teilweise ausgeglichen werden kann. Austausche, die die chemische Gruppe erhielten, wirkten meist weniger stark als solche, die sie entfernten.

Die neue Studie ergänzt dieses Bild um einen Punkt am Eingang des Weges, an dem sich Zink bindet. Für künstliche Wasserstoffkatalysatoren ist die Protonenzufuhr oft der begrenzende Schritt. Die Erkenntnisse können nach Darstellung des Bochumer Teams helfen, andere Hydrogenasen besser zu verstehen und vielleicht besser geeignete Biokatalysatoren für biobasierte Industrieprozesse herzustellen.

Wie belastbar ist das?

• Es handelt sich um Grundlagenforschung im Labor mit Enzymen, Kristallstrukturen und Simulationen. Aussagen über Anwendungen im Maßstab der Industrie sind damit nicht belegt.
• Das Pendel ist ein Mechanismusvorschlag, den Berechnungen stützen. Die Ergebnisse gelten für die untersuchten Enzyme der Gruppe A, andere Gruppen weisen das Pendel offenbar nicht auf.
• Gefördert wurde die Arbeit von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Graduiertenkolleg MiCon und dem Exzellenzcluster RESOLV. Als Geldgeber nennen die Verlagsangaben außerdem ein nationales Forschungs- und Entwicklungsprogramm Chinas und die Volkswagen-Stiftung.

Offene Fragen

Offen ist, ob die Evolution des Protonenpendels tatsächlich zu den besonders effizienten Hydrogenasen geführt hat. Das Team nennt dies als Möglichkeit.

Weitere Quellen

• Pressemitteilung „Ein molekulares Pendel für effiziente Wasserstoffbildung“, Informationsdienst Wissenschaft (idw). Quelle, abgerufen am 29.10.2026
• Übersichtsarbeit: A personal account on 25 years of scientific literature on [FeFe]-hydrogenase, (). Quelle, abgerufen am 29.10.2026
• Crystallographic and spectroscopic assignment of the proton transfer pathway in [FeFe]-hydrogenases (nature.com). Quelle, abgerufen am 29.10.2026

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