GB
Gustav Berggren
Author with expertise in Biological and Synthetic Hydrogenases: Mechanisms and Applications
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
9
(78% Open Access)
Cited by:
1,392
h-index:
28
/
i10-index:
53
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Biomimetic assembly and activation of [FeFe]-hydrogenases

Gustav Berggren et al.Jun 25, 2013
Three synthetic mimics of the di-iron centre in [FeFe]-hydrogenases are loaded onto the HydF protein and then transferred to apo-HydA1; full activation of HydA1 was achieved only with the HydF hybrid protein that contained the mimic with an azadithiolate bridge, confirming the presence of this ligand in the active site of native [FeFe]-hydrogenases. [FeFe]-hydrogenases are metalloenzymes involved in microbial energy metabolism in various bacteria and algae, capable of extremes of catalytic performance that would be extremely useful if translated into a means of producing and using hydrogen in fuel cells. In these enzymes catalysis occurs at a unique di-iron centre containing a bridging dithiolate ligand, three CO ligands and two CN− ligands. In this manuscript, the authors show that three synthetic mimics of this di-iron centre can be loaded onto the [FeFe]-hydrogenase maturation protein HydF and then transferred to the algal variant apo-HydA1. Full activation of HydA1 was achieved only with the HydF hybrid protein that contained the mimic with an azadithiolate bridge, confirming the presence of this ligand in the active site of native [FeFe]-hydrogenases. This is the first example of controlled metalloenzyme activation using the combination of a specific protein scaffold and active-site synthetic analogues. Hydrogenases are the most active molecular catalysts for hydrogen production and uptake1,2, and could therefore facilitate the development of new types of fuel cell3,4,5. In [FeFe]-hydrogenases, catalysis takes place at a unique di-iron centre (the [2Fe] subsite), which contains a bridging dithiolate ligand, three CO ligands and two CN– ligands6,7. Through a complex multienzymatic biosynthetic process, this [2Fe] subsite is first assembled on a maturation enzyme, HydF, and then delivered to the apo-hydrogenase for activation8. Synthetic chemistry has been used to prepare remarkably similar mimics of that subsite1, but it has failed to reproduce the natural enzymatic activities thus far. Here we show that three synthetic mimics (containing different bridging dithiolate ligands) can be loaded onto bacterial Thermotoga maritima HydF and then transferred to apo-HydA1, one of the hydrogenases of Chlamydomonas reinhardtii algae. Full activation of HydA1 was achieved only when using the HydF hybrid protein containing the mimic with an azadithiolate bridge, confirming the presence of this ligand in the active site of native [FeFe]-hydrogenases9,10. This is an example of controlled metalloenzyme activation using the combination of a specific protein scaffold and active-site synthetic analogues. This simple methodology provides both new mechanistic and structural insight into hydrogenase maturation and a unique tool for producing recombinant wild-type and variant [FeFe]-hydrogenases, with no requirement for the complete maturation machinery.
0

Mimicking hydrogenases: From biomimetics to artificial enzymes

Trevor Simmons et al.Jan 4, 2014
Over the last 15 years, a plethora of research has provided major insights into the structure and function of hydrogenase enzymes. This has led to the important development of chemical models that mimic the inorganic enzymatic co-factors, which in turn has further contributed to the understanding of the specific molecular features of these natural systems that facilitate such large and robust enzyme activities. More recently, efforts have been made to generate guest–host models and artificial hydrogenases, through the incorporation of transition metal-catalysts (guests) into various hosts. This adds a new layer of complexity to hydrogenase-like catalytic systems that allows for better tuning of their activity through manipulation of both the first (the guest) and the second (the host) coordination spheres. Herein we review the aforementioned advances achieved during the last 15 years, in the field of inorganic biomimetic hydrogenase chemistry. After a brief presentation of the enzymes themselves, as well as the early bioinspired catalysts, we review the more recent systems constructed as models for the hydrogenase enzymes, with a specific focus on the various strategies employed for incorporating of synthetic models into supramolecular frameworks and polypeptidic/protein scaffolds, and critically discuss the advantages of such an elaborate approach, with regard to the catalytic performances.
182

Energy extraction from air: structural basis of atmospheric hydrogen oxidation

Rhys Grinter et al.Oct 10, 2022
Abstract Diverse aerobic bacteria use atmospheric H 2 as an energy source for growth and survival. This recently discovered yet globally significant process regulates the composition of the atmosphere, enhances soil biodiversity, and drives primary production in certain extreme environments. Atmospheric H 2 oxidation has been attributed to still uncharacterised members of the [NiFe]-hydrogenase superfamily. However, it is unresolved how these enzymes overcome the extraordinary catalytic challenge of selectively oxidizing picomolar levels of H 2 amid ambient levels of the catalytic poison O 2 , and how the derived electrons are transferred to the respiratory chain. Here we determined the 1.52 Å resolution CryoEM structure of the mycobacterial hydrogenase Huc and investigated its mechanism by integrating kinetics, electrochemistry, spectroscopy, mass spectrometry, and molecular dynamics simulations. Purified Huc is an oxygen-insensitive enzyme that couples the oxidation of atmospheric H 2 at its large subunit to the hydrogenation of the respiratory electron carrier menaquinone at its small subunit. The enzyme uses a narrow hydrophobic gas channel to selectively bind atmospheric H 2 at the expense of O 2 , while three [3Fe-4S] clusters and their unusual ligation by a D-histidine modulate the electrochemical properties of the enzyme such that atmospheric H 2 oxidation is energetically feasible. Huc forms an 833 kDa complex composed of an octamer of catalytic subunits around a membrane-associated central stalk, which extracts and transports menaquinone a remarkable 94 Å from the membrane, enabling its reduction. These findings provide a mechanistic basis for the biogeochemically and ecologically critical process of atmospheric H 2 oxidation. Through the first characterisation of a group 2 [NiFe]-hydrogenase, we also uncover a novel mode of energy coupling dependent on long-range quinone transport and pave way for the development of biocatalysts that oxidize H 2 in ambient air.
182
Citation1
1
Save
0

A widespread hydrogenase drives fermentative growth of gut bacteria in healthy people

Caitlin Welsh et al.Aug 15, 2024
Abstract Molecular hydrogen (H 2 ) is among the most central, but least understood, metabolites in the human gastrointestinal tract (gut). H 2 gas is produced in large quantities during bacterial fermentation and consumed as an energy source by bacteria and archaea. Disruption of H 2 cycling is linked to gastrointestinal disorders, infections, and cancers, with H 2 used as an indicator of gut dysfunction through breath tests. Despite this, the microorganisms, pathways, and enzymes mediating H 2 production remain unresolved. Here we show that a previously uncharacterised enzyme, the group B [FeFe]-hydrogenase, drives most fermentative H 2 production in the human gut. Analysis of stool, biopsy, and isolate (meta)genomes and (meta)transcriptomes show this hydrogenase is encoded by most gut bacteria and is highly expressed. Through analysis of 19 taxonomically diverse gut isolates, the group B [FeFe]-hydrogenase produces large amounts of H 2 gas and supports fermentative growth of both Bacteroidetes and Firmicutes. Bacteroides particularly dominate H 2 production. Biochemical and spectroscopic characterisation shows purified group B [FeFe]-hydrogenases are catalytically active and bind a di-iron active site. These hydrogenases are highly enriched in the guts of healthy individuals, but significantly depleted in favour of other fermentative hydrogenases in Crohn’s disease. Furthermore, we show that metabolically flexible respiratory bacteria are the most abundant H 2 oxidizers in the gut, not sulfate reducers, methanogens, and acetogens as previously thought. This combination of enzymatic, cellular, and ecosystem-level analysis provides the first detailed understanding of H 2 cycling in the human gut and reveals new links between microbiota function and gastrointestinal health.
0

Fusion of a functional glutaredoxin to the radical-generating subunit of ribonucleotide reductase

Inna Grinberg et al.Jul 20, 2018
Class I ribonucleotide reductase (RNR) consists of a catalytic subunit (NrdA) and a radical-generating subunit (NrdB) that together catalyse reduction of the four ribonucleotides to their corresponding deoxyribonucleotides. Facklamia ignava NrdB is an unprecedented fusion protein with N-terminal add-ons of a glutaredoxin (Grx) domain followed by an ATP-cone. Grx, which in general is encoded elsewhere in the genome than is the RNR operon, is a known physiological reductant of RNRs. Here we show that the fused Grx domain functions as an efficient reductant of the F. ignava class I RNR via the common dithiol mechanism and interestingly also via a monothiol mechanism, although less efficiently. A Grx that utilizes either or of these two reaction mechanisms has to our knowledge not been observed with a native substrate before. The ATP-cone, which is commonly found as an N-terminal domain of the catalytic subunit of RNRs, is an allosteric on/off switch that promotes dNDP reduction in presence of ATP and inhibits the enzyme activity in presence of dATP. Here we show that dATP bound to the ATP-cone of F. ignava NrdB promotes formation of tetramers that are unable to form enzymatically competent complexes with F. ignava NrdA. The ATP-cone binds two molecules of dATP, but only one molecule of the activating nucleotide ATP. F. ignava NrdB contains the recently identified radical factor Mn2III/IV. We show that NrdA from the firmicute F. ignava can form a catalytically competent RNR with the Mn2III/IV-containing NrdB from the flavobacterium Leeuwenhoekiella blandensis.
0

Semiartificial Photosynthetic Nanoreactors for H2 Generation

Huijie Zhang et al.Dec 3, 2024
A relatively unexplored energy source in synthetic cells is transmembrane electron transport, which like proton and ion transport can be light driven. Here, synthetic cells, called nanoreactors, are engineered for compartmentalized, semiartificial photosynthetic H2 production by a Clostridium beijerinckii [FeFe]-hydrogenase (H2ase). Transmembrane electron transfer into the nanoreactor was enabled by MtrCAB, a multiheme transmembrane protein from Shewanella oneidensis MR-1. On illumination, graphitic nitrogen-doped carbon dots (g-N-CDs) outside the nanoreactor generated and delivered photoenergized electrons to MtrCAB, which transferred these electrons to encapsulated H2ase without requiring redox mediators. Compartmentalized, light-driven H2 production was observed with a turnover frequency (TOFH2ase) of 467 ± 64 h–1 determined in the first 2 h. Addition of the redox mediator methyl viologen (MV) increased TOFH2ase to 880 ± 154 h–1. We hypothesize that the energetically "uphill" electron transfer step from MtrCAB to H2ase ultimately limits the catalytic rate. These nanoreactors provide a scaffold to compartmentalize redox half reactions in semiartificial photosynthesis and inform on the engineering of nanoparticle–microbe hybrid systems for solar-to-chemical conversion.