1. O$_2$ reduction and O$_2$-induced damage at the active site of FeFe hydrogenase
- Author
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Kubas, Adam, Orain, Christophe, de Sancho, David, Saujet, Laure, Sensi, Matteo, Gauquelin, Charles, Meynial Salles, Isabelle, Soucaille, Philippe, Bottin, Hervé, Baffert, Carole., Fourmond, Vincent, Best, Robert, Blumberger, Jochen, Léger, Christophe, Department of Physics and Astronomy [UCL London], University College of London [London] (UCL), Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (BIP ), Aix Marseille Université (AMU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Department of Chemistry [Cambridge, UK], University of Cambridge [UK] (CAM), CICNanoGUNE, Ikerbasque - Basque Foundation for Science, Institut de Biologie Intégrative de la Cellule (I2BC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire Bioénergétique Moléculaire et Photosynthèse (LBMP), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (LISBP), Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Microbiologie de la Méditerranée (IMM), National Institutes of Health [Bethesda] (NIH), EPSRC [EP/J016764/1, EP/J015571/1, EP/F067496, EP/L000202], ANR-12-BS08-0014,ECCHYMOSE,Etudes d'hydrogénases à Fer par électrochimie: mécanisme et optimisation pour la photoproduction d'hydrogène(2012), ANR-14-CE05-0010,HEROS,Hydrogénases résistantes à l'Oxygène(2014), ANR-11-IDEX-0001,Amidex,INITIATIVE D'EXCELLENCE AIX MARSEILLE UNIVERSITE(2011), Basque Foundation for Science (IKERBASQUE), Basque Foundation for Science (Ikerbasque), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris-Saclay, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), ANR-14-CE05-0010,HEROS,Hydrogénases résistantes à l’Oxygène(2014), and ANR-11-IDEX-0001-02/11-IDEX-0001,AMIDEX,AMIDEX(2011)
- Subjects
Enzyme mecanisms ,Metalloproteins ,Density functional theory ,[CHIM]Chemical Sciences ,Electrocatalysis ,Molecular Dynamics - Abstract
International audience; FeFe hydrogenases are the most efficient H$_2$-producing enzymes. However, inactivation by O$_2$ remains an obstacle that prevents them being used in many biotechnological devices. Here, we combine electrochemistry, site-directed mutagenesis, molecular dynamics and quantum chemical calculations to uncover the molecular mechanism of O$_2$ diffusion within the enzyme and its reactions at the active site. We propose that the partial reversibility of the reaction with O$_2$ results from the four-electron reduction of O$_2$ to water. The third electron/proton transfer step is the bottleneck for water production, competing with formation of a highly reactive OH radical and hydroxylated cysteine. The rapid delivery of electrons and protons to the active site is therefore crucial to prevent the accumulation of these aggressive species during prolonged O$_2$ exposure. These findings should provide important clues for the design of hydrogenase mutants with increased resistance to oxidative damage.
- Published
- 2017
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