Wasserstoff ist ein vielversprechender kohlenstofffreier Energieträger, der derzeit jedoch aus fossilen Brennstoffen oder mit teuren Platinelektroden hergestellt wird. In der Natur produzieren und verbrauchen leistungsstarke Enzyme namens [FeFe]-Hydrogenasen Wasserstoff unter Verwendung des kostengünstigen und sehr häufig vorkommenden Metalls Eisen. Ein detailliertes Verständnis der Funktionsweise dieser Enzyme könnte Chemiker dazu inspirieren, neue industrielle Katalysatoren auf Eisenbasis zu entwickeln.

Der katalytische Mechanismus von [FeFe]-Hydrogenasen ist derzeit Gegenstand intensiver Debatten. Ein Streitpunkt betrifft zwei Zwischenzustände des Enzyms, die nur in Gegenwart einer häufig verwendeten, aber nicht physiologischen Chemikalie namens Natriumdithionit beobachtet wurden. Natriumdithionit wird zur Bereitstellung von Elektronen für die Wasserstoffherstellung verwendet. In einer aktuellen Veröffentlichung im Journal of the American Chemical Society hat ein Team von Forschern des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr und des Inorganic Chemistry Laboratory der Universität Oxford diese umstrittenen Natriumdithionit-abhängigen Zustände untersucht. Sie fanden heraus, dass sich diese Zustände bilden, wenn die [FeFe]-Hydrogenasen mit einem Nebenprodukt der Natriumdithionit-Reaktion, wahrscheinlich Schwefeldioxid (SO2), wechselwirken. Unter diesen Bedingungen wurde die Wasserstoffproduktion durch [FeFe]-Hydrogenasen verhindert, was darauf hindeutet, dass es sich bei diesen Zuständen nicht um katalytische Zwischenstufen, sondern um Artefakte handelt, die durch die Verwendung von Natriumdithionit verursacht werden.

Diese Arbeit trägt zum Verständnis des Wirkungsmechanismus von [FeFe]-Hydrogenasen bei; allerdings ist sie auch für diejenigen relevant, die andere metallhaltige Enzyme untersuchen. Natriumdithionit ist ein sehr häufig verwendeter Elektronendonor in der Metalloenzymforschung und könnte ähnliche, noch unbemerkte "Nebenwirkungen" auf andere Systeme haben. Dieser kürzlich erschienene JACS-Artikel zeigt, wie wichtig es ist, die Auswirkungen von Natriumdithionit und generell aller Elektronendonatoren sorgfältig zu bewerten, wenn sie bei der Untersuchung von Metalloenzymen eingesetzt werden. Die Hemmung der Hydrogenase durch Schwefeldioxid könnte auch ein physiologischer Regulationsmechanismus sein, der die Wasserstoffproduktion in Mikroorganismen unter bestimmten Bedingungen verringert.

Original Veröffentlichung: Maria Alessandra Martini, Olaf Rüdiger, Nina Breuer, Birgit Nöring, Serena DeBeer, Patricia Rodríguez-Maciá, James A. Birrell. (2021). The Nonphysiological Reductant Sodium Dithionite and [FeFe] Hydrogenase: Influence on the Enzyme Mechanism. Journal of the American Chemical Society. Just Accepted Manuscript. https://doi.org/10.1021/jacs.1c07322