Uma equipe de pesquisa internacional do Grupo de Pesquisa em Fotobiotecnologia da Ruhr-Universita¤t Bochum (RUB) liderada pelo Professor Thomas Happe e o Laboratoire de Bioanãnerganãtique et Inganãnierie des Protanãines (CNRS) em Marselha conseguiu chegar ao fundo desta caracterí­stica única. Eles descrevem o mecanismo molecular na Nature Communications em 2 de fevereiro de 2021.

Representantes do grupo da enzima [FeFe] -hidrogenase combinam pra³tons e elanãtrons para formar hidrogaªnio molecular com taxas de renovação particularmente altas. Alguns deles atéusam a luz solar como fonte de energia prima¡ria para isso. No entanto, mesmo baixas concentrações de oxigaªnio levam rapidamente a  quebra irreversa­vel do cofator catala­tico, chamado de H-cluster. "Isso foi observado atéagora em todos os representantes deste grupo de enzimas - exceto para CbA5H. Esta enzima tem um mecanismo molecular que permite que ela sobreviva repetidamente ao ataque do oxigaªnio ileso", diz Thomas Happe.

Em colaboração com o professor Eckhard Hofmann, chefe do grupo de Cristalografia de Protea­nas do RUB, os pesquisadores descobriram o truque da enzima analisando sua estrutura cristalina. "Na enzima ativa, o local de ligação do substrato aberto geralmente representa o ponto principal de ataque do oxigaªnio", explica o Dr. Martin Winkler, um dos pesquisadores do RUB envolvidos. No CbA5H, este sa­tio normalmente acessa­vel éprotegido ao ar: sob condições oxidativas, o grupo tiol de um resíduo de cistea­na, que já era conhecido por seu envolvimento na mediação de pra³tons no sa­tio ativo das [FeFe] -hidrogenases, liga-se diretamente ao substrato livre local de coordenação do cluster 2FeH catala­tico. O ponto de acesso fica bloqueado para o oxigaªnio, desde que o oxigaªnio ambiente aumente o potencial redox.

Assim que o oxigaªnio éremovido da mistura de gás ambiente e o potencial redox diminui, o grupo tiol éseparado do local de ligação do substrato do sa­tio ativo e a enzima retoma sua atividade catala­tica ilesa. "Esta hidrogenase pode adotar o estado protegido repetidamente, ao contra¡rio de todas as outras [FeFe] -hidrogenases conhecidas", explica Thomas Happe.

Inicialmente não estava claro por que especificamente CbA5H exibe esta função protetora, enquanto outras [FeFe] -hidrogenases muito semelhantes, que também fornecem este resíduo de cistea­na no mesmo lugar como parte da cadeia de mediação de pra³tons, carecem desse importante recurso. Uma inspeção mais detalhada da estrutura cristalina de CbA5H no estado protegido por oxigaªnio mostrou que a seção da cadeia da protea­na que transporta esta cistea­na édeslocada em direção ao local de ligação do substratoperto do cofator ativo. Em comparação com as [FeFe] -hidrogenases sensa­veis ao oxigaªnio, como CpI de Clostridium pasteurianum, os pesquisadores do RUB foram capazes de identificar três aminoa¡cidos menores em CbA5H perto da seção deslocada da cadeia polipepta­dica, o que lhe da¡ maior liberdade de movimento. Os exames de espectroscopia de infravermelho e eletroquímica de variantes de protea­nas com trocas simples e duplas nessas posições confirmaram a importa¢ncia desses aminoa¡cidos para o mecanismo de limite de segurança molecular controlado por potencial aºnico de CbA5H.

"Como agora conhecemos as condições estruturais desse mecanismo de proteção, também deve ser possí­vel transferir a propriedade vantajosa de resistência ao oxigaªnio do CbA5H para outras [FeFe] -hidrogenases", disse o Dr. Jifu Duan, outro membro do Grupo de Pesquisa em Fotobiotecnologia . "Se isso for bem-sucedido, sera­amos um passo importante para o uso de [FeFe] -hidrogenases como biocatalisadores de hidrogaªnio", confirma Thomas Happe.