El hidrógeno es reconocido como un vector energético esencial en la economía baja en carbono que debe implementarse para aliviar los enormes problemas derivados del uso masivo de combustibles fósiles. Desde un punto de vista biológico, este elemento es un combustible para el metabolismo celular, y por otro lado su generación permite ajustar el balance redox mediante la reducción de protones en metabolismos fermentativos y fotosintéticos. Las hidrogenasas son metaloenzimas clave para la bioproducción y oxidación del hidrógeno con aplicaciones potenciales en biotecnología, como la generación de celdas de combustible de base biológica. La actividad de la hidrogenasa permite también mejorar el balance energético de la fijación de nitrógeno reciclando el hidrógeno producido por la nitrogenasa.

La síntesis de la hidrogenasa implica una serie compleja de reacciones bioquímicas para ensamblar las subunidades de proteínas y cofactores metálicos necesarios para la función enzimática a través de un mecanismo que aún no se conoce bien. Un paso final en esta ruta biosintética es el procesamiento de una cola C-terminal (CTT) de su subunidad mayor (LSU), lo que permite la inserción adecuada de níquel en el cofactor NiFe (CN)2CO presente en estas enzimas. La interacción de esta cola con una endoproteasa dedicada depende de la presencia del átomo de níquel que, al mismo tiempo, será un componente clave del centro activo de la enzima. La presencia de CTT en la enzima inmadura es esencial para el adecuado ensamblaje de la enzima.

En este trabajo, llevado a cabo mediante la colaboración entre investigadores de dos grupos del CBGP, una combinación de análisis in silico y simulaciones de Dinámica Molecular han permitido demostrar que las CTTs de las hidrogenasas NiFe son Regiones Intrínsecamente Desordenadas (IDR) que podrían proporcionar la flexibilidad necesaria a la proteína para los pasos finales de la maduración proteolítica de estas metaloenzimas. El modelo también muestra que la presencia de CTT altera sustancialmente el entorno de algunos residuos clave alrededor del sitio activo, como lo demuestra la modificación del pKa de residuos específicos en la LSU de hidrogenasa procesada vs. no procesada. Además, análisis in silico y de mutagénesis dirigida han permitido la identificación de una pareja de residuos de glutamato conservados, uno de ellos en la CTT, que facilitan la incorporación de níquel en la enzima. El análisis realizado ha permitido asimismo el modelado de detalles estructurales sobre la interacción de la hidrogenasa con la endoproteasa implicada en el procesamiento de la enzima.

Los resultados obtenidos suponen un avance en el conocimiento sobre la biosíntesis del sitio activo de la hidrogenasa, un proceso clave para aplicaciones biotecnológicas centradas en el uso del hidrógeno como un vector de energía sostenible.

Publicación Original:

Albareda, M., Pacios, L.F., Palacios, J.M. 2019. Computational analyses, molecular dynamics, and mutagenesis studies of unprocessed form of [NiFe] hydrogenase reveal the role of disorder for efficient enzyme maturation. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 1860, 325–340. DOI: 10.1016/j.bbabio.2019.01.001

Imagen:

In silico modelling of early Ni binding by Rhizobium leguminosarum immature hydrogenase.
The flexibility provided by the disorder of the C-terminal tail (CTT, in red) of hydrogenase large subunit allows capturing of a nickel atom (green sphere) by a pair of glutamate residues (deep blue sticks with oxygen atoms in red): one residue at the CTT and the second one at the N-terminal region of the protein. Left and right: structures before and after the Molecular Dynamics simulation. Cysteines involved in binding of Fe(CN)2CO cofactor precursor (grey sphere with ligands as sticks) or Ni atom in mature enzyme are shown as sticks with S atoms in yellow.

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