Biofuels that are renewable and environmentally benign constitute an important area of research, as the supply of fossil fuels decreases and the amount of green house gases in the atmosphere increases. Biohydrogen is not as well explored as other biofuels, but its properties render it a promising complement, as it is clean and can be used directly in fuel cells to generate electricity, the only waste products being water and heat. Hydrogenproducing microorganisms have the potential to be used to recycle industrial waste, such as carbohydrates from food manufacturing. Hence the cost of waste disposal could be reduced whilst biofuel is being produced through microbial processes. Escherichia coli is a well-known microorganism that produces hydrogen under fermentative conditions, through the conversion of formate to hydrogen gas and carbon dioxide, via an enzyme complex called formate hydrogenlyase (FHL). The complex is anchored to the inner cell membrane and consists of seven subunits: a formate dehydrogenase, a [Ni-Fe] hydrogenase, three electron carrier proteins, which together make up a large ‘hydrophilic domain’, and two integral membrane proteins (the ‘membrane domain’). Even though the entire bacterial genome is known, the FHL complex remains little understood and has proven difficult to isolate and characterise. During this project, a genetically modified strain producing only the hydrophilic domain of FHL was constructed, and the resultant sub-complex was purified. It was hoped that, if a stable and homogenous core complex could be isolated, it might be subjected to further analysis, such as elucidating the subunit stoichiometry and solving the structure. Furthermore, FHL is notoriously oxygen labile, which hampers its study and technological development. However, oxygen tolerance is a natural feature found in some other [Ni-Fe] hydrogenases, and recent research shows that this property is likely dependent on the presence of extra cysteine residues near an important metal cluster in the enzyme. These cysteines are not present in FHL and a complex that could be active in both aerobic and anaerobic conditions may be a useful tool in optimising microbial biohydrogen processes. Thus, three strains that each expressed a modified FHL variant carrying single Cysteine-for-Glycine substitutions were constructed. The modified FHL complexes proved to remain active in vivo, and can serve as the basis of genetically engineering oxygen tolerance into this important enzyme.

abstract: Redox reactions are crucial to energy transduction in biology. Protein film electrochemistry (PFE) is a technique for studying redox proteins in which the protein is immobilized at an electrode surface so as to allow direct exchange of electrons. Establishing a direct electronic connection eliminates the need for redox­active mediators, thus allowing for interrogation of the redox protein of interest. PFE has proven a versatile tool that has been used to elucidate the properties of many technologically relevant redox proteins including hydrogenases, laccases, and glucose oxidase. This dissertation is comprised of two parts: extension of PFE to a novel electrode material and application of PFE to the investigation of a new type of hydrogenase. In the first part, mesoporous antimony-doped tin oxide (ATO) is employed for the first time as an electrode material for protein film electrochemistry. Taking advantage of the excellent optical transparency of ATO, spectroelectrochemistry of cytochrome c is demonstrated. The electrochemical and spectroscopic properties of the protein are analogous to those measured for the native protein in solution, and the immobilized protein is stable for weeks at high loadings. In the second part, PFE is used to characterize the catalytic properties of the soluble hydrogenase I from <italic>Pyrococcus furiosus</italic> (<italic>Pf</italic>SHI). Since this protein is highly thermostable, the temperature dependence of catalytic properties was investigated. I show that the preference of the enzyme for reduction of protons (as opposed to oxidation of hydrogen) and the reactions with oxygen are highly dependent on temperature, and the enzyme is tolerant to oxygen during both oxidative and reductive catalysis. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Biochemistry 2014

[NiFe] hydrogenases are metalloenzymes that act as highly efficient molecular electrocatalysts for the interconversion of protons and molecular hydrogen. Unlike any other known molecular electrocatalyst, the members of a subgroup of respiratory membrane-bound [NiFe] hydrogenases are able to maintain H₂ catalysis in the sustained presence of O₂. This O₂-tolerance depends on the ability to respond to oxidative inactivation by O₂ by exclusively forming rapidly reactivated active site states, thus implying a catalytic cycle in which O₂ acts as a competing substrate to H₂. Using isotope ratio mass spectrometry it is proven that the O2-tolerant Escherichia coli Hydrogenase 1 responds to O₂ attack by acting as a four-electron oxidoreductase, catalysing the reaction 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O, equivalent to hydrogen combustion. Special features of the enzyme’s electron relay system enable delivery of the required electrons. A small fraction of the H₂O produced arises from side reactions proceeding via reactive oxygen species, an unavoidable consequence of the presence of low-potential relay centres that release electrons from H₂ oxidation. While the ability to fully reduce O₂ to harmless H₂O at the active site to generate the rapidly reactivated state Ni-B, determines if a hydrogenase is O₂-tolerant, the ratio of oxidative inactivation to reductive reactivation rates determines how tolerant the enzyme is. It is shown by protein film electrochemistry that the (αβ)₂ dimeric assembly of Hyd-1 plays an important role in O₂-tolerance by aiding reactivation of one catalytic unit through electron transfer from the other. The teamwork between two redundant partners implicates a new role for dimerisation and represents a new example of cooperativity in biology. Finally, the non-natural amino acid p-azido-L-phenylalanine was synthesised and incorporated into Hyd-1, testing the possibility of introducing labels at specific sites.

Hydrogenasen sind essentielle Enzyme im mikrobiellen H2-Kreislauf und werden als vielversprechende Katalysatoren in biologisch basierten H2-Technologien angesehen. Ein entscheidender Nachteil vieler Hydrogenasen ist ihre hohe O2-Sensitivität. Die membrangebundene Hydrogenase (MBH) aus Ralstonia eutropha ist eines der wenigen Beispiele für Hydrogenasen, die in Gegenwart von O2 katalytisch aktiv sind. Die molekularen Ursachen dieser O2 Toleranz sind bislang ungeklärt. In bisherigen Studien wurde lediglich das [NiFe]-Zentrum und dessen Umgebung auf Faktoren untersucht, die die O2-Toleranz des Enzyms hervorrufen könnten. In dieser Arbeit wurde daher der Fokus auf die kleine Untereinheit der MBH gelegt, in der sich drei elektronentransferierende Fe-S Cluster befinden. Die ligandierenden Aminosäuren dieser Fe-S Cluster wurden mittels ortsspezifischer Mutagenese verändert und die resultierenden MBH-Varianten physiologisch, biochemisch, spektroskopisch und elektrochemisch charakterisiert. Dabei wurde gezeigt, dass die O2-Toleranz der MBH maßgeblich auf einer Modifikation eines dieser drei Fe-S Cluster beruht. In der direkten Umgebung des zum aktiven Zentrum nächstgelegenen Fe-S Clusters befinden sich sechs statt vier Cysteine, wie in O2 sensitiven [NiFe]-Hydrogenasen. Die beiden zusätzlichen Cysteine um dieses proximale Cluster wurden gegen Glycine ausgetauscht, die an der entsprechenden Position in O2-sensitiven Hydrogenasen zu finden sind. Der Austausch der zusätzlichen Cysteine führte in vivo und in vitro zu einer erhöhten O2 Sensitivität der MBH. In EPR-spektroskopischen Untersuchungen wurde beobachtet, dass diese MBH-Variante veränderte elektronische Eigenschaften aufweist. Statt des für O2-tolerante Hydrogenasen typischen EPR-Spektrums wurde ein Signal detektiert, welches in O2-sensitiven Hydrogenasen zu finden ist. Anhand der Ergebnisse wurde ein Modell erstellt, das erklärt, wie eine modifizierte Fe-S Clusterkette zur O2-Toleranz von Hydrogenasen beiträgt. / Hydrogenases are essential for H2 cycling in microbial metabolism and serve as valuable blueprints for H2-based biotechnological application. Like many metalloproteins, most hydrogenases are extremely oxygen-sensitive and prone to inactivation by even traces of O2. The O2-tolerant membrane-bound [NiFe]-hydrogenase of Ralstonia eutropha is one of the few examples that have established a mechanism enabling H2 uptake in the presence of ambient O2. The molecular mechanisms of this O2 tolerance are not yet unravelled. However, up to date, only the large subunit harbouring the [NiFe] active site has been in the focus of studies on O2 tolerance. In the present study, the role of the small subunit with its electron relay, consisting of three Fe-S clusters, was investigated. Amino acid residues involved in coordination of all three clusters were exchanged, and the resulting MBH variants were investigated with physiological, biochemical, electrochemical and spectroscopic methods. It is shown that the rare feature of O2 tolerance is crucially related to a modification of the electron transfer chain. The Fe-S cluster proximal to the catalytic centre is surrounded by six instead of the four conserved coordinating cysteines. Removal of the two additional cysteines renders the protein O2-sensitive in vivo and in vitro. Electron paramagnetic resonance spectroscopy of this MBH variant revealed a signal resembling the spectrum usually detected in O2-sensitive [NiFe]-hydrogenases. The data imply that the major mechanism of O2 tolerance is based on the reductive removal of oxygenic species guided by the unique architecture of the electron transport chain rather than a restricted access of O2 to the active site.

Im biogeochemischen Wasserstoffkreislauf erfolgt der überwiegende Teil der H2-Aufnahme aus der Atmosphäre durch die Böden. Erst seit kurzem ist bekannt, dass die Oxidation von Wasserstoff in Böden mutmaßlich durch eine Reihe von Bodenbakterien vermittelt wird, die zur Aufnahme von Wasserstoff in atmosphärischen Konzentrationen befähigt sind. Diese Bakterien codieren [NiFe]-Hydrogenasen einer neuen Gruppe, die als Gruppe 5 der [NiFe]-Hydrogenasen klassifiziert wurde. Auch das beta Proteobakterium Ralstonia eutropha besitzt die Gene einer derartigen Hydrogenase, die aufgrund ihrer Ähnlichkeit zu den sonst überwiegend in Actinobakterien gefundenen Vertretern der Gruppe 5 als „Actinobakterielle Hydrogenase“ (AH) benannt wurde. In der vorliegenden Arbeit wurde die AH aus R. eutropha als erste Gruppe 5-[NiFe]-Hydrogenase in reiner Form isoliert und eingehend durch unterschiedliche biochemische, spektroskopische und röntgenkristallographische Verfahren untersucht. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse unterstützen die für Gruppe-5-[NiFe]-Hydrogenasen postulierte Funktion im Erhaltungsstoffwechsel der Organismen unter besonderen Bedingungen, schließen jedoch eine Beteiligung der AH an der hochaffinen Oxidation von Wasserstoff in Böden aus. Jedoch zeigt das Enzym die neuartige Eigenschaft der sauerstoffinsensitiven Wasserstoff-Oxidation, was auf die Anwesenheit eines ungewöhnlichen, durch 1 Aspartat und 3 Cysteine koordinierten [4Fe4S]-Clusters und der vermuteten Kopplung der Elektronentransportketten in der mutmaßlich physiologischen doppeldimeren Form des Enzyms zurückzuführen sein dürfte. Die Arbeit erweitert somit die Kenntnisse auf dem Gebiet der Sauerstofftoleranz von Hydrogenasen sowie der Eigenschaften der Gruppe 5-[NiFe]-Hydrogenasen und ihrer physiologischen Rolle in den betreffenden Organismen. / In the biogeochemical hydrogen cycle, the dominating process for hydrogen uptake from the atmosphere is performed in soils. Only recently it was shown that hydrogen oxidation in soils is presumably mediated by a number of soil-dwelling actinobacteria, which are enabled in high-affinity hydrogen uptake. These bacteria encode [NiFe] hydrogenases of a novel group classified as group 5 of [NiFe] hydrogenases. A hydrogenase of this group is also found in the beta proteobacterium Ralstonia eutropha and was named „Actinobacterial Hydrogenase“ (AH) for its similarity to the group 5 [NiFe] hydrogenases found in actinobacteria. In this work, the AH from R. eutropha was, as the first group 5 [NiFe] hydrogenase, purified to homogeinity and thoroughly characterized by various biochemical, spectroscopic and X-ray crystallographic methods. The results obtained hereby support the function in maintaining a basal metabolism under challenging conditions, that was postulated for group 5 [NiFe] hydrogenases. Yet, the results also exclude the possibility of the AH contributing to high-affinity hydrogen uptake in soils. However, the enzyme shows the novel property of being able of oxygen-insensitive hydrogen oxidation. This property is obviously connected to an unusual [4Fe4S] cluster coordinated by 1 aspartate and 3 cysteines, as well as to a supposed coupling of the electron transport chains in the double dimeric native form of the enzyme. Hence, this work broadens the knowledge in the field of oxygen tolerant hydrogen oxidation and provides new insights in the function of group 5 [NiFe] hydrogenases and their physiological role in the organisms.

Hydrogenasen sind komplexe Enzyme, die die reversible Oxidation von molekularem Wasserstoff zu Protonen und Elektronen katalysieren. Diese Enzyme erlauben ihrem Wirtsorganismus das Wachstum unter chemolithoautotrophen Bedingungen. Der Modellorganismus Ralstonia eutropha besitzt drei gut charakterisierte Hydrogenasen der [NiFe]-Klasse, die sich durch ihre Sauerstofftoleranz auszeichnen. Ihr aktives Zentrum besteht aus einer komplexen prosthetischen Gruppe, welche aus einem Nickel- und einem Eisenatom besteht. Letzteres koordiniert drei diatomare Liganden, zwei Cyanide und ein CO. Die Synthese der gesamten Ni(SR)2(µ-SR)2Fe(CN)2(CO)-Gruppe ist ein komplexer Prozess. Die sogenannte Maturation benötigt wenigstens sechs akzessorische Proteine, die sogenannten Hyp-Proteine. Das umfassende Verständnis dieser Maturationsprozesse ermöglicht eine Vielzahl von biotechnologischen Anwendungen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Maturation unter verschiedenen Gesichtspunkten. Zentrale, offene Fragen sind die Herkunft des Carbonylliganden sowie die Prozesse, die zur Ligandierung des katalytischen Eisens führen. Dazu wurden molekularbiologische, biochemische und spektroskopische Methoden in Verbindung mit Isotopenmarkierung eingesetzt. Unter anderem konnte dabei gezeigt werden, dass das katalytische Eisen alle seine Liganden bereits im HypCD-Komplex, dem zentralen Element der Maturation, erhält. Ferner konnte in dieser Arbeit, erstmalig für [NiFe]-Hydrogenasen, eine konkrete Biosynthese des seltenen und toxischen diatomaren CO-Liganden beschrieben werden. Ausgehend vom Alpha-Kohlenstoff von Glycin wird der Tetrahydrofolat (THF)-abhängige C1-Metabolismus mit C1-Einheiten versorgt. Durch die enzymatische Aktivität von HypX wird die Formylgruppe von N10-Formyl-THF zu CO umgesetzt. / Hydrogenases are complex enzymes that catalyze the reversible oxidation of molecular hydrogen into protons and electrons. These enzymes allow their host organism to grow under chemolithoautotrophic conditions. The model organism Ralstonia eutropha has three well-characterized [NiFe]-hydrogenases, which exhibit an extraordinary high oxygen tolerance. Its active center is a complex prosthetic group which consists of a nickel and iron atom. The latter coordinates three diatomic ligands, two cyanides and one CO. The biosynthesis of the whole Ni(SR)2(μ-SR)2Fe(CN)2(CO)-group is a complex process. This so-called maturation process needs the activity of at least six accessory proteins, the Hyp-proteins. Understanding the maturation allows a variety of biotechnological applications. The present study examines the maturation of [NiFe]-hydrogenases under different aspects. The major questions concern the origin of the carbonyl ligand as well as the processes that lead to ligandation of the designated catalytic iron. To adress these tasks, molecular biological, biochemical and spectroscopic methods in combination with isotopic labeling were employed. Inter alia, it could be shown that the catalytic iron in the HypCD-complex, the central element of the maturation process, contains all three diatomic ligands. Furthermore, this study describes, for the first time in [NiFe]-hydrogenases, a specific biosynthetic route of the rare and toxic diatomic CO-ligand. Starting from the alpha-carbon of glycine the tetrahydrofolate (THF)-dependent one-carbon metabolism is replenished with one-carbon units. Subsequently the formyl group from N10-formyl-THF is hydrolyzed by the enzymatic activity from HypX and further converted to carbon monoxide as determined by isotopic labeling and infrared spectroscopy.

Die lösliche, NAD+-reduzierende Hydrogenase (SH) aus Ralstonia eutropha H16 ist eine Pyridinnukleotid-abhängige Hydrogenase. Das heißt, der Umsatz von H2 im Hydrogenasemodul des Enzyms ist an die Reduktion von NAD(P)+ im NAD(P)H:Akzeptor-Oxidoreduktasemodul gekoppelt. Die SH ist Vertreter des Subtyps, der auch in Gegenwart von O2 katalytisch aktiv ist. Dies wird ermöglicht durch eine reduktive Entfernung von O2, die nach dem aktuellen Modell abhängig ist vom rückläufigen e--Transport vom NADH:Akzeptor-Oxidoreduktasemodul zum aktiven [NiFe]-Zentrum in der großen Hydrogenaseuntereinheit. Der Einfluss des FeS-Clusters in der kleinen Hydrogenaseuntereinheit HoxY auf diesen Prozess wurde hier untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die vier hochkonservierten Cysteine C41, C44, C113 und C179 in HoxY an der Koordination des FeS-Zentrums beteiligt sind. Außerdem wurde das nahegelegene Cystein C39 als relevant für die Sauerstofftoleranz identifiziert. Weiterhin wurde gezeigt, dass das Tryptophan W42 aus HoxY essentiell für die Hydrogenaseaktivität der SH ist. Damit bestätigt sich, dass die Kinetik des rückläufigen e--Transports durch die Aminosäureumgebung des FeS-Clusters in HoxY beeinflusst ist. Ferner wurden in dieser Arbeit Ansätze zum Einsatz der SH aus R. eutropha in einer H2-produzierenden cyanobakteriellen Designzelle weiterverfolgt. Dazu wurden Hybridsysteme aus SH und cyanobakteriellem Photosystem I in vitro hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur lichtgetriebenen H2-Produktion untersucht. Außerdem wurde an einem heterologen Expressionssystem der SH für Cyanobakterien gearbeitet. Weiterhin wurde die SH aus Rhodococcus opacus MR11 als komplementäres Modellsystem für O2-tolerante Pyridinnukleotid-abhängige Hydrogenasen etabliert. Dieser zur SH aus R. eutropha homologe Komplex hatte in früheren Arbeiten Vorteile für spektroskopische Studien offenbart und wurde hier erstmals im direkten Vergleich zur SH aus R. eutropha biochemisch und spektroskopisch charakterisiert. / The soluble, NAD+-reducing hydrogenase (SH) from Ralstonia eutropha H16 is a pyridine nucleotide-dependent hydrogenase. In these types of enzymes the conversion of H2 in the hydrogenase module of the complex is coupled to the reduction of NAD(P)+ in the NAD(P)H:acceptor oxidoreductase module. The SH belongs to a subtype that is catalytically active also in the presence of O2. This O2 tolerance is enabled by a reductive removal of O2, which according to the current model depends on a reverse e- flow from the NADH:acceptor oxidoreductase module to the active [NiFe] site in the large hydrogenase subunit. The impact of the FeS cluster in the small hydrogenase subunit HoxY on this process was analyzed in this study. Thereby it was shown that the four highly conserved cysteines C41, C44, C113 and C179 in HoxY are involved in the coordination of the FeS center. Further the nearby cysteine C39 was identified to be relevant for the O2 tolerance of the SH. Additionally we found the tryptophan W42 to be essential for the hydrogenase activity of the SH. Thus it was confirmed that the kinetic of the reverse e- transport is affected by the amino acid environment of the FeS cluster in HoxY. In addition, approaches for using the SH from R. eutropha in H2 producing cyanobacterial design cells were pursued. On one hand hybrid systems consisting of the SH and cyanobacterial photosystem I were analyzed in vitro for their capacity to produce H2 in a light dependent manner. On the other hand work on a heterologous expression system of the SH for Cyanobacteria was continued. Furthermore the SH from Rhodococcus opacus MR11 was established as complementary model system for O2-tolerant pyridine nucleotide-dependent hydrogenases. This complex, which is homologous to the SH from R. eutropha, has revealed advantages for spectroscopic analysis in earlier studies. Here it was characterized biochemically and spectroscopically for the first time in direct comparison with the SH from R. eutropha.

Die NAD+-reduzierende Hydrogenase aus Ralstonia eutropha (SH) katalysiert die reversible H2-Oxidation in Verbindung mit der Reduktion von NAD+ in Gegenwart von Sauerstoff. Die bemerkenswerte O2-Toleranz des Enzyms wurde zuvor auf eine für [NiFe]-Hydrogenasen ungewöhnliche Struktur des Wasserstoff-spaltenden Zentrums zurückgeführt. Diese Hypothese wurde in dieser Arbeit mittels in situ-Spektroskopie an SH-haltigen Zellen widerlegt. Um die folgende Untersuchung der aus sechs Untereinheiten und mindestens acht Kofaktoren bestehenden SH zu erleichtern, wurde das Enzym mittels genetischer Methoden in seine beiden Module aufgeteilt. Das die H2-Oxidation katalysierende Hydrogenase-Modul beinhaltete ein FMN-Molekül, welches für die reduktive Reaktivierung des oxidativ modifizierten Zentrums benötigt wird. Das Diaphorase-Modul besaß ebenfalls ein FMN, und die Reduktion von NAD+ wurde von der Anwesenheit von O2 nicht beeinträchtigt. Neben Wasserstoff reagierte das [NiFe]-Zentrum der SH auch mit Sauerstoff. Dabei wurde sowohl Wasserstoffperoxid- als auch Wasser im Hydrogenase-Modul freigesetzt. Die Sauerstofftoleranz der SH basiert auf einer kontinuierlichen Reaktivierung des durch Sauerstoff oxidierten [NiFe]-Zentrums. Aufgrund der außergewöhnlichen Sauerstofftoleranz stellt die SH ein vielversprechendes System für die wasserstoffgetriebene Regeneration von NADH in gekoppelten enzymatischen Reaktionen dar. In dieser Arbeit wurde ein SH-Derivat durch rationale Mutagenese konstruiert, das in der Lage war, ebenso den Kofaktor NADP+ wasserstoffabhängig zu reduzieren. Durch Ganzzellansätze kann die zeitaufwändige und kostenintensive Proteinreinigung vermieden werden. Um die wasserstoffabhängige in-vivo-Kofaktorregeneration zu ermöglichen, wurde die SH in Pseudomonas putida heterolog produziert. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse sind sowohl für das molekulare Verständnis der H2-abhängigen Katalyse als auch für die biotechnologische Anwendung der O2-toleranten SH relevant. / The NAD+ reducing hydrogenase from Ralstonia eutropha (SH) catalyzes the reversible oxidation of hydrogen in connection with the reduction of NAD+ in the presence of oxygen. The remarkable oxygen tolerance was previously related to an unusual [NiFe] active site with four instead of two cyanide ligands. This hypothesis was rejected in this study by using in situ spectroscopy on SH containing cells. To simplify the investigation of the six-subunit and at least eight cofactors containing SH, the enzyme was separated into its two modules by genetic methods. The hydrogen oxidizing hydrogenase module contained one FMN molecule, which was required for the reductive reactivation of the oxidatively modified active site. The diaphorase module carried a second FMN. The reduction of NAD+ was not affected by the presence of oxygen. In addition to hydrogen, the [NiFe] center of the SH reacted with oxygen. Both hydrogen peroxide and water were released by the hydrogenase module. The oxygen tolerance of the SH is based on a continuous reactivation of the oxidized [NiFe] center. Due to the oxygen tolerance, the SH is a promising system for hydrogen based NADH regeneration in coupled enzymatic reactions. In this study a SH derivative was constructed by means of rational mutagenesis. The SH derivative was able to reduce the cofactor NADP+ by hydrogen oxidation. The time consuming and costly protein purification can be avoided by using whole cell approaches. In order to allow the hydrogen dependent in vivo cofactor regeneration, SH was heterologously produced in Pseudomonas putida. The results obtained in this study are relevant for the molecular understanding of hydrogen dependent catalysis and for the biotechnological application of the oxygen tolerant SH.