Dokument: Spectroscopic and functional investigations of the [FeFe]-hydrogenase from Chlamydomonas reinhardtii and its natural electron donor

Titel:	Spectroscopic and functional investigations of the [FeFe]-hydrogenase from Chlamydomonas reinhardtii and its natural electron donor
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=34785
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20150714-094506-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Siebel, Judith Friederike [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 43,72 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 14.07.2015 / geändert 14.07.2015
Beitragende:	Prof. Dr. Lubitz, Wolfgang [Gutachter] Prof. Dr. Jaeger, Karl-Erich [Gutachter]
Stichwörter:	Hydrogenase, Chlamydomonas reinhardtii, Ferredoxin, NMR, Mössbauer
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Hydrogenases are enzymes that catalyze the reversible reaction of electrons and protons to molecular hydrogen (H2). In the research field of future renewable energy systems, hydrogen is often considered as ideal energy carrier since its combustion generates only water. Therefore, hydrogenases are of potential technological interest. However, in order to be able to use hydrogenases in technological applications, their mechanisms and the factors that affect their activities need to be better understood. This work addresses these points in different ways by studying the [FeFe]-hydrogenase from Chlamydomonas reinhardtii, HydA1. - Paper I: Several non-native cofactors were inserted into unmaturated HydA1 using the recently discovered unassisted artificial maturation procedure. H2 production rates were not improved, but interesting insight into the functionality of HydA1 was shown. - Paper II: NMR investigations of HydA1, its natural electron donor PetF and its natural competitor FNR revealed PetF amino acid residues that are only important for FNR binding and not for HydA1-binding. Substitution of those amino acid residues led to an increased H2 production activity of HydA1 in the presence of FNR. - Paper III: Gallium-substitution of the two iron atoms in PetF revealed the structure of the whole PetF interface with HydA1. Calculation of a PetF-HydA1 docking model indicates several amino acid residues as targets for mutagenesis aiming at increased H2 production. - IV: The novel synthesis of [57Fe2(adt)(CN)2(CO)4]2− and its insertion into unmaturated HydA1 affords active HydA1 selectively labeled with 57Fe, opening multiple spectroscopic investigations that were not accessible this way before. Taken together, this work provides different approaches to understand the catalytic activity of HydA1 in detail and to improve its H2 production rate. Overall, engineering of the HydA1 PetF interface seems to be a more promising target for increasing H2 production than engineering of the binuclear iron core of the active site. Hydrogenasen sind Enzyme, die die chemische Reaktion von Elektronen und Protonen zu molekularem Wasserstoff (H2) katalysieren. Wasserstoff wird oft als idealer Energieträger der Zukunft betrachtet, da bei seiner Verbrennung lediglich Wasser entsteht. Um Hydrogenasen technisch einsetzen zu können, muss ihre Funktionsweise zunächst besser verstanden und ihre katalytische Effizienz optimiert werden. Diese Arbeit befasst sich mit Untersuchungen an der [FeFe]-Hydrogenase HydA1 von Chlamydomonas reinhardtii. - Paper I: Die kürzlich entwickelte artifizielle Maturierung wurde genutzt, um verschiedene unnatürliche Cofaktoren in HydA1 einzubringen. Die dabei entstandenen Hybrid-Hydrogenasen zeigten zwar geringere H2 Produktionsraten, es konnten jedoch interessante Erkenntnisse über die Funktionalität von HydA1 gewonnen werden. - Paper II: Durch NMR-spektroskopische Untersuchungen an HydA1, seinem natürlichen Elektronendonor PetF und seinem Elektronen-Konkurrenten FNR wurden PetF Aminosäuren identifiziert, die wichtig für die Bindung von FNR, aber nicht von HydA1 sind. Ein Austausch dieser Aminosäuren führte zu einer erhöhten PetF abhängigen H2 Produktionsrate von HydA1 in Anwesenheit von FNR. - Paper III: Durch Gallium-Substitution der Eisenatome von PetF wurde das gesamte Interface zwischen PetF und HydA1 entschlüsselt. Die Berechnung eines PetF HydA1 Komplexes gibt Hinweise auf verschiedene Aminosäurereste, die als Ziel für Mutagenese benutzt werden können, um die H2 Produktionsrate zu verbessern. - Paper IV: Die neu entwickelte Synthese von [57Fe2(adt)(CN)2(CO)4]2− ermöglicht die Herstellung von aktivem, 57Fe-angereichertem HydA1. Dadurch werden verschiedene spektroskopische Untersuchungen zugänglich, die vorher so nicht möglich waren. In dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze gezeigt, um die katalytische Aktivität von HydA1 im Detail zu verstehen und zu verbessern. Veränderungen an dem HydA1-PetF-Interface erscheinen dabei vielversprechender als Änderungen an dem aktiven Zentrum.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Sonstige Einrichtungen/Externe
Dokument erstellt am:	14.07.2015
Dateien geändert am:	14.07.2015
Promotionsantrag am:	13.04.2015
Datum der Promotion:	08.06.2015