Dokument: Eisen-Schwefel-Cluster als multifunktionelle Redoxcofaktoren – Synthese von artifiziellen Co-S-Biohybriden, Charakterisierung der Metallbindung an AlkG und Untersuchung der [FeFe]-Hydrogenase in einem sauerstoffstabilen Zustand

Titel:	Eisen-Schwefel-Cluster als multifunktionelle Redoxcofaktoren – Synthese von artifiziellen Co-S-Biohybriden, Charakterisierung der Metallbindung an AlkG und Untersuchung der [FeFe]-Hydrogenase in einem sauerstoffstabilen Zustand
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=53086
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20210623-083743-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Galle, Lisa Marie [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 10,77 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 22.04.2020 / geändert 22.04.2020
Beitragende:	Jun.-Prof. Dr. Span, Ingrid [Gutachter] Prof. Dr. Groth, Georg [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Wasserstoff gilt als der ideale Energieträger der Zukunft, da er eine sehr hohe Energiedichte besitzt und emissionsfrei verbrennt. Da H2 in der Natur jedoch nur in geringen Mengen vorkommt ist es von zentraler Bedeutung neue Katalysatoren für die effiziente Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser zu entwickeln. In diesem Zusammenhang wurde im Rahmen dieser Dissertation die Biosynthese artifizieller, kubischer [4Co-4S]-Biohybride realisiert, die als potentielle Katalysatoren für die Wasserspaltung gelten. Da in der Natur bislang keine Co-S-Proteine bekannt sind, wurden Methoden zur Biosynthese und spektroskopischen Charakterisierung anhand von Modellproteinen aus der Familie der Rubredoxine etabliert. Nachdem die Apoproteine produziert wurden, konnte in vitro über chemische Rekonstitution Co an die Gerüstproteine gebunden werden. Auch wurde Co in vivo gezielt, unter Nutzung der E. coli Eisen-Schwefel-Cluster-Assemblierungsmaschinerie, an den Gerüstproteinen komplexiert. Dies ermöglicht neue Wege zur Herstellung artifizieller Biohybride für anspruchsvolle Elektronentransferreaktionen. Der Abbau gesättigter Kohlenwasserstoffen ist, besonders im Fall einer Ölkatastrophe, von großem Interesse. Ein Abschnitt dieser Arbeit befasst sich mit dem Pseudomonas putida GPo1 [2Fe]-Rubredoxin AlkG, einem Elektronentransportprotein, welches an der Hydroxylierung der schwer zu funktionalisierenden Alkane zu lineare Alkohole beteiligt ist. Es ist das einzige bekannte Rubredoxin, welches aus zwei Rubredoxindomänen besteht, wobei die Funktion der N"~terminalen Domäne noch nicht abschließend geklärt ist. Es konnte gezeigt werden, dass diese zweiwertige Metallionen, wie Fe(II) und Co(II), im Vergleich zur C-terminalen Domäne, weniger stark komplexiert, wodurch das Metallion leicht durch Sauerstoff oxidiert werden kann. Des Weiteren wird die Sekundärstruktur des N-Terminus über die Bindung an die C-terminale Domäne stabilisiert. Die neuen Erkenntnisse können helfen, die Katalyse der Alkanhydroxylierung nutzbar zu machen. \newline In der Natur sind [FeFe]-Hydrogenase die aktivsten Katalysatoren in der Wasserstoffproduktion. Sie sind jedoch extrem sauerstoffempfindlich und daher für biotechnologische Anwendungen ungeeignet. In dieser Arbeit wurde ein sauerstoffstabiler Zustand der [FeFe]-Hydrogenase aus Desulfovibrio desulfuricans strukturell untersucht und Einblicke in den Mechanismus gewonnen, wie sich dieses Protein vor sauerstoffbedingter Degradation schützt. Dabei wird ein HS- -Liganden an die freie Koordinationsstelle des H-Clusters gebunden. Zusammengenommen konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass es in Fe-S-Proteinen möglich ist, Fe durch Co zu ersetzen und so potentielle Katalysatoren für die Wasserspaltung zu generieren. Zudem wurden neue Einblicke in die Rolle des ungewöhnlichen Rubredoxins AlkG bei der Alkanhydroxylierung gewonnen. Schließlich konnte gezeigt werden, dass Schwefel das aktive Zentrum der [FeFe]-Hydrogenase vor Zersetzung durch Sauerstoff schützt. Hydrogen gas is thought to be an ideal energy carrier due to its high energy density and its emission-free combustion. Because it cannot be found in great quantities in nature, it is necessary to develop new catalysts for the efficient production of hydrogen gas from water. During this work the biosynthesis of artificial, cubic [4Co-4S]-biohybrids have been established, which are potential catalysts for water splitting. No cobalt-sulfur-catalysts are known in nature. Thus, techniques for the biosynthesis and the spectroscopic characterization have been developed using the rubredoxin-family as model proteins. After protein production, cobalt-proteins have been produced in vitro using the chemical reconstitution method. Furthermore, the E. coli iron-sulfur assembly machinery has been used to transfer the cobalt cluster specifically in vivo. These techniques enable new possibilities of producing artificial biohybrids for challenging electron transfer reactions. Especially in case of an oil disaster, methods for the degradation of saturated hydrocarbons are highly relevant. The Pseudomonas putida GPo1 [2Fe]-rubredoxin AlkG, which is the only known rubredoxin with two rubredoxin-like domains, transfers electrons for the hydroxylation of alkanes to linear alcohols. During this work it has been shown, that the N-terminal domain complexes divalent metal ions less strong compared to the C-terminal domain. Thus leads to an easy oxidation of the metal ion. Further, the C-terminal domain stabilizes the secondary structure of the N-terminal domain. The new finding could help to utilize the alkane hydroxylation catalysis for biorechnical aproaches. In nature the [FeFe]-hydrogenases are the most active catalysts in hydrogen production. But they are very sensitive to oxygen and thus less usable in industry. In this work, the structure of the Desulfovibrio desulfuricans [FeFe]-hydrogenase in an oxygen stable state has been investigated. That gives new insight into the mechanism of protection against degradation through oxygen. In this state an HS- ligand is bound at the free coordination site of the H-cluster. To sum up, it has been demonstrated, that it is possible to replace iron by cobalt in iron-sulfur proteins to produce potential catalysts for water splitting. Further new insights into the role of the unusual rubredoxin AlkG in alkane hydroxylation has been given. Finally, it has been shown that a sulfur ligand protects the active site of the [FeFe]-hydrogenase from degradation through oxygen.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Physikalische Biologie
Dokument erstellt am:	23.06.2021
Dateien geändert am:	23.06.2021
Promotionsantrag am:	04.12.2019
Datum der Promotion:	03.03.2020