Oscillating hydrogenase reaction  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
84090
Type K
Principal investigator Bagyinka, Csaba
Title in Hungarian A hidrogenáz oszcilláló reakciója
Title in English Oscillating hydrogenase reaction
Keywords in Hungarian hidrogenáz, enzim katalízis, oszcilláció, autokatalitikus reakció
Keywords in English hydrogenase, enzyme catalysis, oscillation, autocatalytic reaction
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)85 %
Ortelius classification: Physical chemistry
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)15 %
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Institute of Biophysics (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants Bankó, Sarolta
Horváth, Dezső
Janovics, Zsuzsanna
Pankotai-Bodó, Gabriella
Tóth, Ágota
Zimányi, László
Starting date 2011-04-01
Closing date 2016-03-31
Funding (in million HUF) 16.760
FTE (full time equivalent) 15.51
state closed project
Summary in Hungarian
A legutóbbi OTKA pályázatunk (K49276) során felfedeztük, hogy a Thiocapsa roseopersicina hidrogenáza autokatalitikus reakcióban bontja a hidrogén molekulát, mutatva az autokatalitikus reakciók alapvető tulajdonságait; spontán képződő, állandó sebességgel terjedő reakciófrontok alakulnak ki vékony oldatrétegben. Megállapítottuk, hogy az enzimreakció egyedülálló abban az értelemben, hogy az autokatalizátor az enzim egyik konformere. A reakciókörülmények megfelelő módosításával sikerült időben egyre csökkenő frekvenciájú oszcillációt is kimutatnunk.
A pályázat célja a hidrogenáz autokatalitikus reakciójának szisztematikus megismerése. Ez magába foglalja a zárt rendszerben tapasztalt oszcilláció és, megfelelő reaktor tervezése után, a nyílt rendszerben megvalósíthatónak tűnő állandósult oszcilláció tanulmányozását. Ezzel párhuzamosan egy, a kísérleti eredményekkel összhangban levő modellt tervezünk felállítani, melynek nyílt rendszerben történő vizsgálatával lehetőség nyílik az egyes fizikai és kémiai paraméterek hatásának előrejelzésére.
A betáplált hidrogéngáz és a benzil-viologén oxidált formájának különböző kiindulási mennyisége mellett a reakció pH függését felhasználva, a kezdeti pH-t és a reakciósebességet befolyásoló hőmérsékletet változtatva feltérképezzük a rendszer tér- és időbeli viselkedését.
Célunk annak megértése, hogy egy enzim miként szerepelhet autokatalizátorként és ennek milyen biokémiai következményei lehetnek.
Summary
Supported by our last, OTKA financed grant (K49276) we discovered that the HynSL hydrogenase from Thiocapsa roseopersicina splits molecular hydrogen in an autocatalytic reaction, as evidenced by the typical characteristics of such reactions: in an unstirred solution spontaneously formed reaction fronts propagate at a constant velocity. The reaction is unique in the sense that the autocatalyst is a conformer of the hydrogenase enzyme.
The aim of this grant proposal is to continue the systematic characterization of the autocatalytic reaction of the hydrogenase enzyme in order to obtain the mechanism and the full phase diagram of the enzyme reaction cycle.
The investigation of the observed oscillations in a closed system and, after designing a proper open reaction vessel, studies of the possible permanent oscillations therein are also planned. Parallel theoretical calculations and model construction will enable us to predict the effect of basic physical and chemical parameters on the oscillatory behavior both in open and closed systems.
The effect of pH, oxidized benzyl viologen and hydrogen gas concentrations on the reaction as well as the temperature dependence of the reaction kinetics will be investigated in order to describe the spatiotemporal behavior of the system.
Our aim is to elucidate the autocatalytic role of the enzyme and the biochemical consequences it may hold.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Technikai fejlesztések 1. Kifejlesztettünk egy új reakciókamrát (TC-TLRC). 2. Az új reakcióedényben lehetővé vált ugyanannak a hidrogenáz mintának a használata mindkét reakcióirányban. Tudományos eredmények 1. Megmagyaráztuk a hidrogenáz aktiválás folyamatát. 2. Megmutattuk, hogy a hagyományos hidrogenáz model önellentmondásokat tartalmaz. 3. Kimutattuk, hogy a hidrogenáz katalitikus ciklusában egy autokatalitikus reakciónak kell lennie. 4. Oszcilláló reakciót mutattunk ki a hidrogenáz katalitikus ciklusában. 5. Három különböző hőmérsékleti tartományt azonosítottunk, ahol a hidrogenáz reakció különbözőképpen zajlik: ~8-14 ºC, 14-28 ºC és 30 ºC felett. 6. A H2 koncentráció növekedésével az első és a második ciklusban mért aktivitások és látszólagos szaturációs értékek különbsége növekedett. 7. Kozmotróp és semleges Hofmeister sók a hidrogenáz aktivitását nem változtatták. A kaotróp sók a H2 oxidáló aktivitásra nem voltak hatással, viszont a proton redukáló hatást teljesen leblokkolták. 8. A benzil viologén elektrokémiai viselkedése drasztikusan megváltozott kaotróp sók jelenlétében. 9. Meghatároztuk a metil és benzil viologének kötőhelyeit a hidrogenáz felületén. 10. A D. gigas esetében a autokatalitikus reakció mindazon jellegzetességeit megtaláltuk, amelyeket a Thiocapsa roseopersicina hidrogenáza esetében megfigyeltünk. A másik hidrogenáz a Ralstonia eutropha oxigéntűrő hidrogenáza volt. Itt az enzimkoncentráció függő lag fázis jelenlétét tudtuk kimutatni
Results in English
Technical achievements 1. A new reaction chamber (TC-TLRC) was designed and built. 2. It became possible to run the reaction back and forth several times. Scientific achievements 1. We explained the activation of the hydrogenase as an autocatalytic reaction. 2. The traditional hydrogenase models are contradictory and cannot explain the activation under hydrogen on hydrogenase. 3. We have shown that there is an autocatalytic step in the enzyme cycle of hydrogenase 4. Oscillations can be initiated in the hydrogenase reaction. 5. Three different temperature regions were identified depending on the kinetic and light scattering behavior of the enzyme: ~8-14 ºC, 14-28 ºC and above 30 ºC. 6. When the H2 substrate concentration increased, the activity and saturation level difference between the first cycle and the other two cycles also increased 7. Kozmotropic and neutral salts had no effect on the activity of hydrogenase, whereas chaotropic salts blocked proton reduction. 8. Benzyl viologen dramatically changed its electrochemical properties when chaotropic salt was present. 9. The binding sites of the benzyl- and methyl viologen molecules to the surface of the hydrogenases were calculated. 10. All the characteristic properties of an autocatalytic reaction found in T. roseopersicina hydrogenase were also present in the case of D.gigas hydrogenase. The oxygen tolerant hydrogenase of R. eutropha showed enzyme concentration dependent lag phase.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=84090
Decision
Yes





 

List of publications

  
Sarolta Bankó, Zsuzsanna Kucsma and Csaba Bagyinka: The autocatalytic reaction of HynSL hydrogenase enzyme from Thiocapsa roseopersicina, 11-th National Conference of Biophysics with International Participation, Sibiu, Romania:, 2011
Zsuzsanna Kucsma, Sarolta Bankó and Csaba Bagyinka: The autocatalytic reaction of HynSL hydrogenase enzyme from Thiocapsa roseopersicina, 4th European Science Foundation Conference on Functional Dynamics, 21-24 September 2011, Prague, Czech Republic, 2011
Zsuzsanna Kucsma, Sarolta Bankó, Gabriella Pankotai-Bodó, Rui Miguel Mamede Branca, František Vácha and Csaba Bagyinka: Temperature dependence of the activity of hydrogenase from Thiocapsa roseopersicina, 4th European Science Foundation Conference on Functional Dynamics, 21-24 September 2011, Prague, Czech Republic, 2011
Zsuzsanna Kucsma, Sarolta Bankó, Gabriella Pankotai-Bodó, Rui Miguel Mamede Branca, František Vácha and Csaba Bagyinka: Temperature dependence of the activity of hydrogenase from Thiocapsa roseopersicina, ITC Alumni International Conference, 1-3 September 2011, Szeged, 2011
Sarolta Bankó, Zsuzsanna Kucsma, Gábor Lente and Csaba Bagyinka: Autocatalyst form of the hydrogenase falls out from the enzyme cycle resulting different apparent saturation values of the product, 4th European Science Foundation Conference on Functional Dynamics, 21-24 September 2011, Prague, Czech Republic, 2011
Sarolta Bankó, Zsuzsanna Kucsma, Gábor Lente and Csaba Bagyinka: Autocatalyst form of the hydrogenase falls out from the enzyme cycle resulting different apparent saturation values of the product, ITC Alumni International Conference, 1-3 September 2011, Szeged, 2011
Kucsma Zsuzsanna, Bankó Sarolta, Bagyinka Csaba: A Thiocapsa roseopersicina HynSL hidrogenázának aktivitás és szerkezetbeli változásai a hőmérséklet függvényében, MTA Reakciókinetikai és Fotokémiai Munkabizottsági Ülés Gyöngyöstarján, 2011. október 27-28., 2011
Sarolta Bankó, Zsuzsanna Kucsma, Gábor Lente and Csaba Bagyinka: The autocatalytic reaction of HynSL hydrogenase enzyme from Thiocapsa roseopersicina, International Workshop on Complex Systems in Chemistry, Physics and Biology, Budapest 2011.11.02., 2011
Sarolta Bankó, Zsuzsanna Kucsma, Gábor Lente, Csaba Bagyinka: The autocatalytic step is an integral part of the hydrogenase cycle, BBA Proteins and Proteomics 1834 (2013) 658–664, 2013
Csaba Bagyinka: How does the hydrogenase enzyme work?, 10th International Hydrogenase Conference Szeged, Hungary 8th July-12th July, 2013, 2013
Csaba Hetényi, Balázs Ábrahám, Csaba Bagyinka: Mapping of binding sites of different viologen redox mediators on the surface of [NiFe] hydrogenase enzyme, 10th International Hydrogenase Conference Szeged, Hungary 8th July-12th July, 2013, 2013
Adrian Neagu, Oana Munteanu, Monica Neagu and Csaba Bagyinka: Kinetic model of electron transport in a Ni-Fe hydrogenase enzyme, 10th International Hydrogenase Conference Szeged, Hungary 8th July-12th July, 2013, 2013
Sarolta Bankó, Zsuzsanna Janovics and Csaba Bagyinka: How do the Hofmeister salts influence the activity of hydrogenase enzyme?, 10th International Hydrogenase Conference Szeged, Hungary 8th July-12th July, 2013, 2013
Zsuzsanna Kucsma, Sarolta Bankó, Gabriella Pankotai-Bodó, Rui Miguel Mamede Branca, František Vácha and Csaba Bagyinka: Temperature dependence of the activity of hydrogenase from Thiocapsa roseopersicina, 10th International Hydrogenase Conference Szeged, Hungary 8th July-12th July, 2013, 2013
Csaba Bagyinka, Gabriella Pankotai-Bodo, Rui M.M. Branca , Monika Debreczeny: Oscillating hydrogenase reaction, International Journal of Hydrogen Energy (2014),, 2014
Csaba Bagyinka, Gabriella Pankotai-Bodo, Rui M.M. Branca , Monika Debreczeny: Oscillating hydrogenase reaction, International Journal of Hydrogen Energy, 39 (2014) 18551-18555, 2014
Csaba Bagyinka: How does the ([NiFe]) hydrogenase enzyme work?, International journal of hydrogen energy 39 (2014) 18521 - 18532, 2014
Csaba Bagyinka: Hydrogenase enzyme, a very specific molecular machinery, Proceedings of the Molecular Machinery (COST Conference) 15-17 Spetember 2014, Visegrád, 2014



Back »