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Toward hydrogenase mimicry [Elektronische Ressource] : subjecting the problem to three different approaches / presented by Xavier Richard von Hatten

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Dissertation submitted for the combined degrees of Doktor der Naturwissenschaften in der Fakultät für Mathematik und Biowissenschaft in der Ruprecht Karl Universität von Heidelberg, Germany Docteur de Chimie de l’Université de Bordeaux I, France Presented by Xavier Richard von Hatten Heidelberg, June 2006 Toward Hydrogenase mimicry: Subjecting the problem to three different approaches thManuscript submitted: October 15 , 2006 External referees: Dr. S. Bellemin-Laponnaz PD Dr. F. Breitling thOral Examination: November 14 , 2006 Committee: st1 Referee Prof. Dr. N. Metzler-Nolte nd2 Referee: Dr. I. Huc rd3 Referee: Prof. Dr. A. Jäschke th4 Referee: Prof. Dr. J-B. Verlhac Acknowledgements I would like to acknowledge people who support me, encourage me and show interest for my research during my PhD Thesis. Prof. Dr. Metzler-Nolte, for the chance he gave me to work in his group in Heidelberg, and to follow him in Bochum when it was necessary. For his open-mindness when I asked him to spend some of his research money in others working groups. I appreciate his optimism, his trust and the large degree of freedom he gave me during my research. Dr. Ivan Huc, because he accepted me in his group, he worked hard to make the joint PhD collaboration possible and fruitful. He was always available for discussions, and capable of giving many helpful synthetic tricks.

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Published 01 January 2006
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Language English
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Dissertation
submitted for the combined degrees of
Doktor der Naturwissenschaften in der Fakultät für Mathematik und
Biowissenschaft in der Ruprecht Karl Universität von Heidelberg, Germany
Docteur de Chimie de l’Université de Bordeaux I, France

















Presented by
Xavier Richard von Hatten



Heidelberg, June 2006



Toward Hydrogenase mimicry:
Subjecting the problem to three
different approaches








thManuscript submitted: October 15 , 2006
External referees:
Dr. S. Bellemin-Laponnaz
PD Dr. F. Breitling

thOral Examination: November 14 , 2006
Committee:
st1 Referee Prof. Dr. N. Metzler-Nolte
nd2 Referee: Dr. I. Huc
rd3 Referee: Prof. Dr. A. Jäschke
th4 Referee: Prof. Dr. J-B. Verlhac



Acknowledgements

I would like to acknowledge people who support me, encourage me and show interest
for my research during my PhD Thesis.

Prof. Dr. Metzler-Nolte, for the chance he gave me to work in his group in
Heidelberg, and to follow him in Bochum when it was necessary. For his open-mindness
when I asked him to spend some of his research money in others working groups. I
appreciate his optimism, his trust and the large degree of freedom he gave me during my
research.

Dr. Ivan Huc, because he accepted me in his group, he worked hard to make the joint
PhD collaboration possible and fruitful. He was always available for discussions, and
capable of giving many helpful synthetic tricks.

Prof. Dr. Jeremy Smith, for the opportunity to work in his group and the access to his
research resources. I particularly appreciate the time he invested in the correction of my
drafts.

Dr. Srecko Kirin, for sharing his office during three years and for the all-day
conversations. I would like to thank him for his permanent help in many fields at the
beginning, the middle and the end of my PhD.

Dr. Ulrich Schatzschneider, for performing the DFT calculation in Chapter 3, and for
helpful conversations about electrochemical measurements.

Zoe Cournia, for the time she spent to teach me the basis knowledge of molecular
modelling, but also for debugging my input files when it was necessary. I particularly
appreciate the controversial and motivating discussions.

Heiko Rudy, for his efficiency, his kindness, his valuability and for the 200 Elemental
analyses he measured for me and surely twice as much mass spectrogram. Ohne dein Hilfe,
dies alles erst gar nicht möglich gewesen wäre.
Uli Hoffmanns, Tim Kersebohm, Thomas Happ, Richard Wombacher, Mark Helm,
Markus Petermeyer, Tobias Timmermann … für die „Krasses Zeit“: Fußball, Doko, Tisch
Tennis, Grill-Party.
Bei allen anderen IPMB Institutsmitgliedern, es war gemütlich mit euch zu arbeiten.
Alle waren nett zu mir. Ich werde euch nie vergessen.

I would like to thank people from computational chemistry in IWR, for the helpful
tricks, for sharing useful input files and especially for spending time trying to find solution
for my problems.

Merci aussi à Nicolas, Céline, Thomas, Loïc, et toutes les personnes que j’ai côtoyé
durant mes séjours à l’IECB. Bravo pour l’ambiance que vous avez créée au sein des
laboratoires, pour cette très agréable atmosphère de travail et surtout pour m’avoir intégré
dans cette dynamique si rapidement et si simplement.

Mes parents, qui même après dix longues années d’études ont toujours continué d’y
croire. Pour leurs soutiens, moral et financier, sans lesquels, rien n’aurait été possible.

Ma petite Anne chérie, pour tout le reste.































pour Anne,
Abstrakt

de Hatten Xavier Dipl.-Chem. 15. Juni 2006

„Drei neue Konzepte für strukturelle und funktionelle Hydrogenase-Modelle“

In dieser Arbeit wird die schwierige Aufgabe, Hydrogenase zu modellieren, drei
verschiedenen Ansätzen unterworfen.
Die erste Strategie die verwendet wird ist bioorganometallische. Eine Reihe
Ferrocen-peptid Verbindungen wurde synthetisiert und völlstandig charakterisiert. Die
Thiol-Schutzgruppe wurde nachher entfernt und wurde danach durch complexierung mit
Eisen carbonyl eine neue Klasse Fe-only hydrogenase Strukturmimetika mit Ferrocen-
Peptid Rückgrat erlangt. Umfassende elektrochemische Untersuchung offenbart eine
potentielle Elektronenübertragung zwischen den zwei Eisenenheiten des Moleküls.
Im zweiten Ansatze wird eine theoretische Untersuchung des Ferrocen-Peptids
durchgeführt. Um eine breiteres Feld von Ferrocen-Peptiden als molekulares Gerüst zu
untersuchen, wurde ein molekulares Kraft-Feld erfolgreich erzeugt und in CHARMM
implementiert. Nach der notwendigen Validierung mit bekannten experimentellen
Strukturen wurde das erhaltene Kraft-Feld verwendet, um mehrere Modellsysteme auf ihre
Durchführbarkeit für das präsentierte Projekt zu untersuchen. Deshalb, wurden sterische
Hindernisse und die Gestalt des Schwefels Ligande analysiert. Es wird gezeigt dass die
erhaltenen Resultate, für viele Aspekte der Synthese nützlich sind.
Als ein drittes Ansatze wurde organische übergeordnete Struktur von oligoquinoline,
als potentielle Ligand für Eisen-carbonyl hydrogenasemimetika studiert. Die gut definierte
gefaltete Struktur erlaubte uns die Positionierung des Schwefel Monomers in der Sequenz
vorauszusagen. Die vorausgesagte Struktur wurde synthetisiert und vollständig
charakterisiert. Nach dem Entschützen der Thiol-Gruppe, wurde auch die complexierung
mit Eisen-carbonyle durchgeführt.
In dieser Arbeit, wurde über die synthetischen, spektroskopischen und theoretischen
Leistungen, die Effizienz des multidisziplinarischen Ansatzes an ein einzigartiges Ziels
demonstriert.
Abstract

de Hatten Xavier Graduate Student 15. June 2006

„Toward Hydrogenase mimicry: Subjecting the problem to three different
approaches“

In this work, the challenging task of modelling Hydrogenase is subjected to three
different approaches. The first strategy used here is bioorganometallic. A wide range of
sulfur containing ferrocene-peptide derivatives were synthesized and fully characterized.
The thiol group was subsequently removed and after complexation with iron carbonyl, a
new class of structural mimic of Fe-only hydrogenase with ferrocene-peptide backbone
was obtained. A comprehensive electrochemical study led on these new derivatives reveal
a potential electron transfer between the two iron sites of the molecule.
In the second approach, a theoretical computational study of the ferrocene-peptide
derivatives is led. In order to investigate a wider range of ferrocene-peptide as a molecular
scaffold, a molecular force field was successfully implemented in CHARMM. After the
necessary validation step on experimental structures, thus obtained force field was used to
investigate several model systems by mean of their feasibility for the presented project.
Therefore, the sterical hindrance and the shape of the sulfur chelating shell were analysed
during dynamic simulations. Results obtained are shown to be helpful for many aspects of
the synthesis.
As a third approach, organic self-assembled oligoquinoline were studied as potential
scaffold of hydrogenase mimics. The predictability of the well-defined folded structure
allowed the positioning of sulfur modified monomer in the sequence. Thus predicted
structure, were synthesized and fully characterized. After the deprotection of the thiol
group, the free SH group were used as ligand for iron-carbonyl.
In this work, above the synthetic, spectroscopic and theoretic achievements we have
demonstrated the efficiency of the multidisciplinary approach to serve a unique goal.
Zusammenfassung


„Drei neue Konzepte für strukturelle und funktionelle Hydrogenase-Modelle“

Bei seinen Untersuchungen zu Gärungsprozessen im Flußschlamm entdeckte der
deutsche Biochemiker Ernst Felix Immanuel Hoppe-Seyler Ende des 19. Jahrhunderts
erstmals, daß Bakterien molekularen, gasförmigen Wasserstoff (H ) aufnehmen und 2
abgeben. Im Jahre 1931 beschrieben Marjory Stephenson und Leonard Hubert Stickland
ein für diese Prozesse verantwortliches Enzym und nannten es Hydrogenase. In der
folgenden Zeit wurden Hydrogenasen in zahlreichen Bakterienarten gefunden. Der
deutsche Biochemiker und Pflanzenphysiologe Hans Gaffron entdeckte bei seinen
Untersuchungen der Stoffwechselleistungen einzelliger Grünalgen in den dreißiger Jahren,
daß auch diese eukaryotischen Mikroorganismen Wasserstoff umsetzen. Außerdem
erkannte er, daß der Wasserstoffmetabolismus bei Algen mit der Photosynthese im
Zusammenhang steht. Lange Zeit war die biologische Wasserstofforschung nur ein Feld für
Spezialisten. Erst durch die Ölpreiskrisen 1973/74 und 1979/80 und der damals gestarteten
Suche nach neuen Energiequellen sowie durch die seit einigen Jahren aktuelle
Umweltdiskussion mit der damit verbundenen Notwendigkeit, die Verwendung
umweltgerechter Energieträger zu fördern, erlangte dieses Arbeitsgebiet auch öffentliches
und politisches Interesse.
Hydrogenasen (H asen) sind bakterielle Enzyme, die die reversible Umwandlung von 2
molekularem Wasserstoff in Protonen und Elektronen katalysieren. Je nach dem aktiven
Zentrum unterscheidet man drei verschiedene Typen metallhaltiger H asen: nur Eisen 2
enthaltende ([Fe-only]), hetero-bimetallische ([Ni-Fe]) und [Ni-Fe-Se] H asen, in denen ein 2
Selenocystein an das Ni-Zentrum koordiniert ist. Die erste Röntgenstrukturanalyse einer
H ase wurde von Volbela et al. 1995 publiziert, das Enzym wurde aus dem Sulfat-2
reduzierenden Bakterium Desulfovibrio gigas isoliert. Inzwischen sind mehrere weitere
Röntgenstrukturanalysen metallhaltiger H asen veröffentlicht worden. Das folgende Bild 1 2
zeigt das aktive Zentrum einer [Ni-Fe]-H ase. 2


Bild 1 Tertiäre Struktur und das aktive Zentrum der [Ni-Fe]-H ase von Desulfovibrio 2
Gigas

Alle Hydrogenasen weisen gemeinsame Eigenschaften auf, die als essentiell für die
Funktion dieser außergewöhnlichen Enzymklasse angesehen werden können.
-• Zweiatomige Liganden (vor allem CO und CN ) um ein Eisenatom
• Low-spin Fe(II) Elektronenkonfiguration für dieses Eisenatom
• Eine Kette von Fe-S-Clustern verbindet das aktive Zentrum, welches im Inneren des
Enzyms liegt, mit der Oberfläche.
Uns fasziniert besonders die metallorganische Koordinationsumgebung des
Eisenatoms mit Cyanid- und Carbonylliganden. Beide Liganden sind zwar in der
synthetischen metallorganischen Chemie ubiquitär, in der Natur ansonsten jedoch völlig
unbekannt und stellen für sich genommen sogar starke Zellgifte dar. Trotz zahlreicher
spektroskopischer und theoretischer Arbeiten sind der genaue Mechanismus der
Hydrogenasen und die Funktion der Fe(CN) (CO)-Gruppe bisher unbekannt. Anorganische 2
Verbindungen vermögen einzelne Schritte der Hydrogenasen wie z. B. den
H/D - Austausch zu modellieren oder dienen als spektroskopische oder strukturelle
Modelle. Es gibt nur sehr wenige Arbeiten zu Modellsystemen von Metalloenzymen, in
denen die natürlich vorkommenden Aminosäuren oder kleine Peptide als Liganden für die
Metallatome eingesetzt werden. In diesem Projekt wollen wir drei neue Konzepte für strukturelle und funktionelle
H ase-Modelle umsetzen. Die drei Ansätze kommen aus drei verschiedenen Bereichen der 2
Chemie.


Erster Ansatz

Die Kernpunkte unseres Konzeptes sind a) die Verwendung von kleinen Peptiden mit
Cysteinen als Liganden für die Metalle im aktiven Zentrum und b) die Verwendung eines
metallorganischen Rückgrates (Ferrocen) als strukturgebendes Merkmal, zur sterischen
Abschirmung und als Elektronenrelay. Eisencarbonyl wird in diesen Modellverbindungen
an die Schwefelliganden eines Cysteins koordiniert


Bild 2 In dieser Arbeit dargestellte Hydrogenase-Modellkomplexe

Im Rahmen dieses Projektes konnten wir über zwei Dutzend Biokonjugate aus
Peptiden mit S-haltigen Aminosäuren (Cys und Met) mit Ferrocen mono- und di-
carbonsäure synthetisieren und vollständig charakterisieren. Von fünf Verbindungen
konnten Einkristall-Röntgenstrukturanalysen erhalten werden. Die Eisencarbonyl-
Komplexe in Bild 2 wurden auch vollständig spektroskopisch charakterisiert, insbesondere