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A single histidine is enough to decide whether an enzyme works at full speed or almost stops. In a laboratory study published on October 17, 2026, a team at Ruhr University Bochum, in Germany, has shown how one class of microbial enzymes moves protons so quickly that it can make hydrogen at high rates. Each of these biocatalysts can capture nearly 10,000 protons per second.
Ein einziges Histidin reicht aus, um darüber zu entscheiden, ob ein Enzym mit voller Geschwindigkeit arbeitet oder nahezu stillsteht. In einer am 17. Oktober 2026 veröffentlichten Laborstudie hat ein Team an der Ruhr-Universität Bochum in Deutschland gezeigt, wie eine Klasse mikrobieller Enzyme Protonen so schnell bewegt, dass sie Wasserstoff in hohen Raten erzeugen kann. Jeder dieser Biokatalysatoren kann fast 10.000 Protonen pro Sekunde aufnehmen.
The enzymes in question are the [FeFe]-hydrogenases. Zinc occurs naturally in many biocatalysts, where it helps the reaction, but the same metal can also shut them down. Dr. Jifu Duan explains that zinc binds to the amino acids of the enzyme and can block it, or attach itself to sites needed for proton binding. The team found that, although zinc attaches to several places on these enzymes, only one precise location caused inhibition. That spot lies right next to the proton transport pathway already known in hydrogenases.
Bei den betreffenden Enzymen handelt es sich um [FeFe]-Hydrogenasen. Zink kommt natürlicherweise in vielen Biokatalysatoren vor, wo es die Reaktion unterstützt, doch dasselbe Metall kann sie auch lahmlegen. Dr. Jifu Duan erklärt, dass Zink sich an die Aminosäuren des Enzyms bindet und es blockieren kann oder sich an Stellen anlagert, die für die Protonenbindung benötigt werden. Das Team stellte fest, dass Zink sich zwar an mehreren Stellen dieser Enzyme anlagert, aber nur eine genau bestimmte Stelle eine Hemmung verursachte. Diese Stelle liegt direkt neben dem bereits bekannten Protonentransportweg in Hydrogenasen.
The researchers then identified the two histidines that zinc and other metal ions block, both on the surface of the enzyme. Replacing one of them with another amino acid kept the enzyme highly active but made it insensitive to zinc. Replacing the other one made the enzyme produce hydrogen only very slowly. Together, these tests and the crystal structures showed that one histidine works like a pendulum, pivoting on a fixed fulcrum formed by another amino acid. When it swings toward the surface, it takes a proton from the second histidine. When it swings inward, it passes that proton to the known transport pathway.
Anschließend identifizierten die Forscher die beiden Histidine, die Zink und andere Metallionen blockieren, beide an der Oberfläche des Enzyms. Ersetzte man eines davon durch eine andere Aminosäure, blieb das Enzym hochaktiv, reagierte aber nicht mehr auf Zink. Ersetzte man das andere, produzierte das Enzym nur noch sehr langsam Wasserstoff. Zusammen zeigten diese Tests und die Kristallstrukturen, dass ein Histidin wie ein Pendel funktioniert, das sich um einen festen Drehpunkt bewegt, der von einer anderen Aminosäure gebildet wird. Schwingt es zur Oberfläche, nimmt es ein Proton vom zweiten Histidin auf. Schwingt es nach innen, gibt es dieses Proton an den bekannten Transportweg weiter.
The pendulum is not found everywhere. Several groups of [FeFe]-hydrogenases exist, but only Group A reaches the particularly high production rates that make these enzymes interesting for biotechnology. Professor Thomas Happe says the team searched for the pendulum in other groups and found it only in Group A. The researchers believe the two histidines explain the swift capture of protons and the high activity of that group, and they suggest that evolution may have specialised this group for that reason.
Das Pendel findet sich nicht überall. Es gibt mehrere Gruppen von [FeFe]-Hydrogenasen, doch nur Gruppe A erreicht die besonders hohen Produktionsraten, die diese Enzyme für die Biotechnologie interessant machen. Professor Thomas Happe sagt, das Team habe in anderen Gruppen nach dem Pendel gesucht und es nur in Gruppe A gefunden. Die Forscher gehen davon aus, dass die beiden Histidine die schnelle Aufnahme der Protonen und die hohe Aktivität dieser Gruppe erklären, und sie vermuten, dass die Evolution diese Gruppe aus eben diesem Grund spezialisiert haben könnte.
For now, the benefit is mainly to research. Understanding this mechanism could help scientists study other hydrogenases and, the team writes, perhaps design biocatalysts better suited to bio-based industrial processes. The authors also note that the results matter for understanding hydrogen metabolism in living organisms, which plays a role in many ecosystems. No timeline for such applications is given, and the study does not test any industrial process: it explains how a natural enzyme works, and that knowledge is the first step any engineering project would need.
Vorerst kommt der Nutzen vor allem der Forschung zugute. Das Verständnis dieses Mechanismus könnte Wissenschaftlern helfen, andere Hydrogenasen zu untersuchen und, so das Team, vielleicht Biokatalysatoren zu entwickeln, die besser für biobasierte industrielle Prozesse geeignet sind. Die Autoren weisen außerdem darauf hin, dass die Ergebnisse für das Verständnis des Wasserstoffstoffwechsels in lebenden Organismen wichtig sind, der in vielen Ökosystemen eine Rolle spielt. Ein Zeitplan für solche Anwendungen wird nicht genannt, und die Studie testet keinen industriellen Prozess: Sie erklärt, wie ein natürliches Enzym funktioniert, und dieses Wissen ist der erste Schritt, den jedes Ingenieurprojekt bräuchte.