Establishing a Thermodynamic Landscape for the Active Site of Mo-Dependent Nitrogenase

Abstract

Nitrogenase enzymes are the only biological catalysts able to convert N 2 to NH 3 . Molybdenum-dependent nitrogenase consists of two proteins and three metallocofactors that sequentially shuttle eight electrons between three distinct metallocofactors during the turnover of one molecule of N 2 . While the kinetics of isolated nitrogenase has been extensively studied, little is known about the thermodynamics of its cofactors under catalytically relevant conditions. Here, we employ a recently described pyrenemodified linear poly(ethylenimine) hydrogel to immobilize the catalytic protein of nitrogenase onto an electrode surface. The resulting electroenzymatic interface enabled direct measurement of reduction potentials associated with each metallocofactor of the nitrogenase complex, illuminating the role of nitrogenase reductase in altering the potential landscape in the active site of nitrogenase and revealing the endergonic nature of electron-transfer steps associated with the conversion of N 2 to NH 3 under physiological conditions.

Recent Enzymatic Electrochemistry for Reductive Reactions

“…In order to achieve this, a novel polymer functionalized with pyrene was employed. It is reported that these studies are able to achieve N 2 fixation independent of the Fe protein and ATP‐hydrolysis, representing a new prospect for N 2 fixation by nitrogenase . However, much work is required to fully exploit MoFe protein catalysis in this system.…”

Elektroenzymatische Stickstofffixierung unter Verwendung eines MoFe‐Proteinsystems immobilisiert in einem organischen Redoxpolymer

“…Somit ist es negativer als das Formalpotential des P-Clusters (À0.48 V vs. SCE). [11] Daraus lässt sich schließen, dass durch die Differenz À und die maximale Stromdichte (J max ) wurden zu 342 AE 43 mm N 3 À bzw. À515 AE 49 mA cm À2 berechnet (Abbildung 4 b).…”

“…Dies erlaubte die Untersuchung der elektrochemischen Kinetik für jeden der Cofaktoren in der Nitrogenase unter biologisch relevanten Bedingungen. [11] Die Theorie elektronischer Tunnelprozesse legt nahe, dass der direkte Elektronentransfer die korrekte Ausrichtung zwischen Elektronendonor und Akzeptor innerhalb eines Abstands von 14 für ein effizientes Elektronentunneln erfordert, [12,13] wodurch der Elektronentransfer schneller als die enzymatische Reaktion erfolgen kann, was eine hohe Gesamtaktivität der modifizierten Elektrode gewährleistet. [11,14] Dementsprechend ist der gemessene bioelektrokatalytische Strom ausschließlich auf die Enzymmoleküle zurückzuführen, die als Protein-Monolage innerhalb der Elektronentunneldistanz immobilisiert sind.…”

“…[11] Die Theorie elektronischer Tunnelprozesse legt nahe, dass der direkte Elektronentransfer die korrekte Ausrichtung zwischen Elektronendonor und Akzeptor innerhalb eines Abstands von 14 für ein effizientes Elektronentunneln erfordert, [12,13] wodurch der Elektronentransfer schneller als die enzymatische Reaktion erfolgen kann, was eine hohe Gesamtaktivität der modifizierten Elektrode gewährleistet. [11,14] Dementsprechend ist der gemessene bioelektrokatalytische Strom ausschließlich auf die Enzymmoleküle zurückzuführen, die als Protein-Monolage innerhalb der Elektronentunneldistanz immobilisiert sind. [2,10,[14][15][16] Ein Ansatz zur Erhçhung der Beladung von Elektroden mit elektrisch kontaktierter Nitrogenase besteht darin, eine elektronenleitende Matrix zu verwenden, um die Nitrogena-se-Moleküle an der Elektrodengrenzfläche in einem 3D-Polymernetzwerk, ausgestattet mit gebundenen molekularen Redoxrelais, zu immobilisieren und gleichzeitig zu stabilisieren.…”

“…[17][18][19][20][21] Das Potential eines Redoxpolymers zur elektrischen Kommunikation mit der Nitrogenase über das MoFe-Protein sollte < À0.49 V vs. SCE liegen. [4,5,11] Dementsprechend gibt es nur wenige potentielle Redoxmediatoren, die ein ausreichendes Reduktionspotential aufweisen, wie z. B. einige viologenmodifizierten Polymere, [22][23][24] die ein Reduktionspotential mit Redoxpotentialen von etwa À0.69 V vs. SCE aufweisen.…”