The next generation of toxic chemicals and hazardous wastes from sophisticated chemical industries will demand the environmental agencies to employ biological methods over the conventional physical and chemical remediation methods. Over the past decade, natural metallo-enzymes have been identified to degrade some of the major chemical contaminants through electron transfer pathways. However, these natural enzymes are less stable in organic solvents and they are not effective for the degradation of toxic compounds such as polychlorinated biphenyls or dioxins. This thesis explores the use of protein design approaches to produce chemically and molecularly modified enzymes, which are highly stable, possess little substrate specificity, and have higher activity than the natural enzymes. The experiments presented in this thesis make use of solid phase synthesis and site-directed mutagenesis for the synthesis and production of these enzymes and popular chromatographic techniques for their purification. The partial characterization of these proteins revealed the essential structural features of these proteins, and their catalytic activity was demonstrated by the use of peroxidase assays. / Master of Science

Die rekombinante Expression des Vier-Helix-Bündelproteins Sulerythrin, aus Sulfolobus tokodaii-Stamm 7, wurde etabliert und für die Produktion von metallfreiem Apo-Protein optimiert. Durch Metall-Rekonstitution konnten Eisen, Nickel, Kobalt, Mangan und Eisen-57 als Cofaktoren des homo-bimetallischen Zentrums eingebracht werden. Es wurden Zusammenhänge zwischen Eigenschaften, Reaktivitäten und Strukturen verschiedener diMe-SulE-Proteine untersucht. Die Affinität der Bindungen der vier Metalle an das SulE-wt wurde mittels ITC untersucht und deutet auf eine hochaffine und eine niedrigaffine Bindungsstelle im Zentrum hin, was durch Kristallisation von mono-Fe-SulE bestätigt wurde. Die Me-SulE-wt-Proteine zeigten unterschiedliche UV-vis-Spektren im reduzierten und oxidierten Zustand. Es wurden diFe-SulE-Varianten der Koordinationssphäre des aktiven Zentrums erzeugt und deren Oxidationsraten mit Sauerstoff bei 325 nm bestimmt, wobei diFe-SulE-wt langsamer war als alle Varianten (beobachtete Geschwindigkeitskonstanten teilweise 40 bis 50-mal höher). Die reduzierten Zustände der diFe-SulE-Varianten wurden durch Mößbauer-Spektroskopie untersucht (80-100 %ige Fe(II) im high-spin Zustand). Für die diMe-SulE-wt-Varianten wurde die Katalaseaktivität gemessen. Durch die Inkubation von diCo-SulE-wt-Kristallen mit H2O2 konnte ein verbrückender μ2-η2-Peroxid-Ligand in der Proteinstruktur modelliert werden und ein Reaktionsintermediat nachgewiesen werden, dessen O-O-Bindungslänge mit 1,50 Å nahezu identisch mit H2O2 ist. Der Metall-Metall-Abstand im zweikernigen Metallzentrum der Varianten reichte von 3,97 Å für bis 3,15 Å. Anhand der Strukturen der aktiven Stellen der Varianten lassen sich strukturelle Unterschiede erkennen, die als Ursache für die unterschiedlichen Reaktivitäten und Oxidationsraten vermutet werden. Die Daten zeigen eine klare Korrelation zwischen einem abnehmenden Metall-Metall-Abstand und einem Anstieg der Geschwindigkeitskonstante für verschiedene Varianten. / The recombinant expression of the four-helix bundle protein Sulerythrin, from Sulfolobus tokodaii strain 7, was established and optimized for the production of metal-free apo-protein. By metal reconstitution, iron, nickel, cobalt, manganese and iron-57 were incorporated as cofactors of the homo-bimetallic center. Relationships between characteristics, reactivities and structures of different diMe-SulE proteins were investigated. The affinity of the bonds of the four metals to the SulE-wt was investigated by ITC and indicated a high-affinity and a low-affinity binding site in the active site, which was confirmed by crystallization of mono-Fe-SulE. The Me-SulE-wt proteins showed different UV-vis spectra in the reduced and oxidized states. diFe-SulE variants of the active site coordination sphere were generated and their oxidation rates with oxygen at 325 nm were determined, with diFe-SulE-wt being slower than all variants (observed rate constants 40 to 50 times higher in some cases). The reduced states of the diFe-SulE variants were investigated by Mössbauer spectroscopy (80-100 % Fe(II) in high-spin state). The catalase activity was measured for diMe-SulE-wt variants. By incubating diCo-SulE-wt crystals with H2O2, a bridging μ2-η2 peroxide ligand could be modeled in the protein structure and a reaction intermediate was detected whose O-O bond length of 1.50 Å is almost identical to H2O2. The metal-to-metal distance in the binuclear metal center of the variants ranged from 3.97 Å for to 3.15 Å. Based on the structures of the active sites of the variants, structural differences can be identified, which are assumed to be the cause of the different reactivities and oxidation rates. The data further provide a clear correlation between a decreasing distance between the metals and an increase in the rate constant for different variants.