Dr. James Birrell - Energy Converting Enzymes

Dr. James Birrell
Leiter der Gruppe Energy Converting Enzymes
Abteilung Anorganische Spektroskopie

Vita

B.Sc./M.Sc.University of Cambridge, UK (2008)
Ph.D.University of Cambridge, UK (2012)
PostdocMPI CEC (2013 - 2017)
Gruppenleiter
MPI CEC (since - 2018)

Publikationen

Selected Publications

  • Sulfide Protects [FeFe] Hydrogenases From O2. Rodríguez-Maciá, P.; Reijerse, E. J.; van Gastel, M.; DeBeer, S.; Lubitz, W.; Rüdiger, O.; Birrell J. A. J. Am. Chem. Soc. 2018 140 9346
  • Unique spectroscopic properties of the H-cluster in a putative sensory [FeFe] hydrogenase. Chongdar, N.; Birrell, J. A.; Pawlak, K.; Sommer, C.; Reijerse, E. J.; Rüdiger, O.; Lubitz, W.; Ogata, H. J. Am. Chem. Soc. 2018 140 1057
  • Reaction coordinate leading to H2 production in [FeFe]-hydrogenase identified by nuclear resonance vibrational spectroscopy and density functional theory. Pelmenschikov, P.; Birrell, J. A.; Pham, C. C.; Wang, H.; Adamska-Venkatesh, A.; Reijerse, E.; Richers, C. P.; Tamasaku, K.; Yoda, Y.; Rauchfuss, T. B.; Lubitz, W.; Cramer, S. P. J. Am. Chem. Soc. 2017 139 16894
  • Intercluster redox coupling influences protonation at the H-cluster in [FeFe] hydrogenases. Rodríguez-Maciá, P.; Pawlak, K.; Rüdiger, O.; Reijerse, E. J.; Lubitz, W; Birrell, J. A. J. Am. Chem. Soc. 2017 139 15122
  • Semisynthetic hydrogenases propel biological energy research into a new era. Birrell, J. A.; Rüdiger, O.; Reijerse, E. J.; Lubitz, W. Joule 2017 1 61
  • Artificial maturation of the highly active heterodimeric [FeFe] hydrogenase from Desulfovibrio desulfuricans ATCC 7757. Birrell, J. A.; Wrede, K.; Pawlak, K.; Rodriguez-Macía, P.; Rüdiger, O.; Reijerse, E. J.; Lubitz, W Isr. J. Chem. 2016 56 852
  • Importance of hydrogen bonding in fine tuning the [2Fe-2S] cluster redox potential of HydC from Thermotoga maritima. Birrell, J. A.; Laurich, C.; Reijerse, E. J.; Ogata, H.; Lubitz W. Biochemistry 2016 55 4344

Full Publicationslist

Gruppenmitglieder

Postdocs

  • Dr. Constanze Sommer

Labor

  • Nina Breuer
  • Michael Reus
  • Adrian van Wasen

Enzyme der Energiekonversion

Mechanismen der Katalyse von Metalloenzymen bei der Energiekonversion

Metalloenzyme wie Hydrogenasen, Nitrogenasen, CO-Dehydrogenasen und Methanmonooxygenasen führen einige der grundlegendsten Energiekonversionsreaktionen in der Natur mit sehr hohen Geschwindigkeiten und sehr hoher Effizienz durch, indem sie auf der Erde häufig vorkommende Metalle in ihren aktiven Zentren verwenden. Trotz der Wichtigkeit dieser Reaktionen für die Energieumwandlung sind die Mechanismen, mit denen diese Enzyme ihre Reaktionen ausführen, kaum bekannt. Mit Hilfe einer Kombination biochemischer, elektrochemischer und spektroskopischer Techniken versucht unsere Gruppe zu verstehen, wie die Struktur des aktiven Zentrums und der umgebenden Bereiche den Mechanismus der niedermolekularen Transformationen in diesen Enzymen steuert. Wir kombinieren hierbei mehrere spektroskopische Techniken (UV-Vis, IR, Raman, EPR, MCD, Mößbauer und Röntgenabsorptionsspektroskopie), um ein vollständiges Bild des aktiven Zentrums und der Wechselwirkungen mit den umgebenden Liganden zu erhalten.

Herstellung von komplexen Metalloproteinen

Ein großes Problem bei der Untersuchung vieler Metalloproteine ist oft die geringe Ausbeute und die langwierige Prozedur, die mit der Reinigung von nativen Wirtsorganismen verbunden ist. Die gesteigerten Ausbeuten, gepaart mit der Einfachheit der Genmanipulation, machen die Überexpression in rekombinanten Wirten wie E. coli zu einer attraktiven Alternative. Viele Metalloproteine lassen sich jedoch nicht ohne weiteres in herkömmlichen E. coli-Systemen herstellen, so dass die Expressionsmethoden oder die verwendeten Wirte weiterentwickelt werden müssen. Unsere Gruppe entwickelt stabile rekombinante Expressionssysteme für die Produktion von Metalloproteinen, insbesondere sMMO, um probenintensive spektroskopische Untersuchungen wie die Röntgenabsorptionsspektroskopie zu ermöglichen.

Wie Proteine Redoxpotenziale abstimmen

Ein wichtiger Parameter für Metalloproteine, die Redoxreaktionen durchführen, sind die Redoxpotentiale der Kofaktoren in ihren aktiven Zentren und der Komponenten ihrer Elektronentransferketten. Wie genau die Proteinumgebung das Redoxpotential der Kofaktoren, einschließlich der Auswirkungen direkter Metall-Liganden sowie indirekter Einflüsse wie Wasserstoffbrückenbindung, beeinflusst, ist Gegenstand intensiver Forschung. Unsere Gruppe versucht diese direkten und indirekten Effekte anhand einfacher Eisen-Schwefel-Proteine (Ferredoxine) als Modellsysteme zu verstehen. Diese Proteine lassen sich leicht rekombinant in hohen Ausbeuten herstellen und sind einfach zu kristallisieren, um ihre Strukturen zu studieren. Darüber hinaus lassen sich ihre Redoxpotentiale mit Hilfe der Proteinfilmelektrochemie leicht messen und ihre elektronischen Struktur können mit verschiedenen spektroskopischen Methoden untersucht werden.