Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf dem Weg zur biologischen Variante

14.07.2017

Ein bakterielles Enzym ermöglicht Reaktionen, die Alternativen zu wichtigen großtechnischen chemischen Verfahren eröffnen

Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Oliver Einsle am Institut für Biochemie der Universität Freiburg beschäftigt sich seit langer Zeit mit der Funktionsweise der Nitrogenase – und stellt nun die erste dreidimensionale Strukturanalyse der vanadiumhaltigen Variante des Enzyms vor.


Das katalytische Zentrum der vanadiumhaltigen Nitrogenase, ein Eisen-Vanadium-Cofaktor mit einem ungewöhnlichen Carbonat-Liganden.

Grafik: Oliver Einsle

Daniel Sippel gelang im Rahmen seiner Promotionsarbeit die Produktion und Kristallisation einer Vanadium-Nitrogenase und darauf aufbauend die Aufklärung der Raumstruktur bei atomarer Auflösung durch Röntgenbeugungsexperimente.

Langfristiges Ziel der Arbeitsgruppe ist es, die Nitrogenase biotechnologisch nutzbar zu machen und dadurch eine Alternative zu großtechnischen chemischen Verfahren zu eröffnen. Die Forscher haben ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Chemical Biology“ vorgestellt.

Das Element Stickstoff (N) ist ein wesentlicher Bestandteil aller biologischen Makromoleküle. Seine Verfügbarkeit in der Biosphäre ist dadurch limitiert, dass das weltweite Vorkommen von Stickstoff weitgehend auf das Gas N2 in der Atmosphäre beschränkt ist, dessen Stabilität ihn für die allermeisten Organismen unzugänglich macht.

Zur Bereitstellung von bioverfügbarem Stickstoff als Düngemittel in der Landwirtschaft existiert seit 1906 das industrielle Haber-Bosch-Verfahren, das Stickstoff mit Wasserstoff zu Ammoniak verbindet. Seine Bedeutung ist heute so zentral, dass die Nahrungsproduktion für mehr als die Hälfte der Menschheit nur mithilfe von Stickstoffdüngern gewährleistet werden kann.

In der Natur bewerkstelligt ein einziges Enzym, die bakterielle Nitrogenase, die gleiche Reaktion, ohne jedoch überschüssige Stickstoffverbindungen in die Umwelt abzugeben – Stichwort: Nitrate im Grundwasser. Allerdings ist die Funktion dieses komplexen, metallhaltigen Enzymsystems bislang nur unvollständig geklärt.

Einsles Arbeitsgruppe gelang schon zuvor ein wichtiger Schritt hin zum Verständnis der Nitrogenase: Die Forscherinnen und Forscher konnten die Aktivität des Enzyms durch das giftige Gas Kohlenmonoxid (CO) hemmen und zeigen, wie der Hemmstoff am Eisen-Molybdän-Cofaktor (FeMoco) bindet. Dieser ist das Zentrum der Nitrogenase so benannt nach den in ihm enthaltenen Elementen. FeMoco kann die Reaktion von Stickstoff und Wasserstoff katalysieren – die natürliche Version des Haber-Bosch-Verfahrens.

Gleichzeitig war bekannt, dass eine Variante der Nitrogenase, die anstelle von Molybdän in ihrem aktiven Zentrum Vanadium benutzt und daher als FeVco bezeichnet wird, den Hemmstoff CO ebenfalls umsetzen kann.

Produkt dieser Reaktion sind reduzierte Kohlenstoffverbindungen in Form kurzkettiger Kohlenwasserstoffe. Damit ist diese Reaktion die enzymatische Variante eines zweiten wichtigen chemischen Verfahrens, der Fischer-Tropsch-Synthese von Kohlenwasserstoffen, mit der großtechnisch Treibstoffe zum Beispiel aus Industrieabgasen hergestellt werden können.

Die Vanadium-Nitrogenase aus einem freilebenden Bodenbakterium vermag also unter dessen natürlichen Umgebungsbedingungen die gleiche Syntheseleistung zu erbringen, die in den industriellen Verfahren nur unter extremem Druck und bei hohen Temperaturen möglich ist. Die Haber-Bosch- und Fischer-Tropsch-Verfahren werden jährlich weltweit zur Umsetzung hunderter Millionen Tonnen der jeweiligen Gase – N2 und CO – genutzt, sodass an der Möglichkeit einer nachhaltigen, biologischen Alternative ein erhebliches Forschungsinteresse besteht.

Bei den Forschungsarbeiten zeigte sich, dass die Architektur des Enzyms zwar in großen Teilen der des molybdänhaltigen „Originals“ ähnelte, sich aber an einem wichtigen Punkt unterschied: dem atomaren Aufbau des katalytischen Cofaktors. Sippel und Einsle fanden, dass in FeVco tatsächlich ein Vanadiumion das Molybdänion ersetzt, aber zusätzlich ein Schwefelion des Zentrums durch ein – chemisch davon sehr verschiedenes – Carbonat-Anion ersetzt wird. Dieser nur auf den ersten Blick kleine Unterschied hat weitreichende Auswirkungen auf die geometrische und elektronische Struktur des Cofaktors.

Die Arbeiten werden durch den Europäischen Forschungsrat (ERC) und die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Graduiertenkollegs 1976 „Functional Diversity of Cofactors“ der Universität Freiburg und des Schwerpunktprogramms 1927 „Iron-Sulfur for Life“ gefördert.

Originalpublikation:
Daniel Sippel & Oliver Einsle (2017): The structure of vanadium nitrogenase reveals an unusual bridging ligand. In: Nature Chemical Biology.
DOI: 10.1038/nchembio.2428

Kontakt:
Prof. Dr. Oliver Einsle
Institut für Biochemie / BIOSS Centre for Biological Signalling Studies
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-6058
E-Mail: einsle@biochemie.uni-freiburg.de

Weitere Informationen:

https://www.pr.uni-freiburg.de/pm/2017/auf-dem-weg-zur-biologischen-variante

Rudolf-Werner Dreier | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Berichte zu: Biochemie Biology Chemical Biology FeMoco Nitrogenase Stickstoff Vanadium Wasserstoff

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Verbesserte Kohlendioxid-Fixierung dank Mikrokompartiment
25.09.2017 | Max-Planck-Institut für Biochemie

nachricht Regenbogenfarben enthüllen Werdegang von Zellen
25.09.2017 | Technische Universität Dresden

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: LaserTAB: Effizientere und präzisere Kontakte dank Roboter-Kollaboration

Auf der diesjährigen productronica in München stellt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT das Laser-Based Tape-Automated Bonding, kurz LaserTAB, vor: Die Aachener Experten zeigen, wie sich dank neuer Optik und Roboter-Unterstützung Batteriezellen und Leistungselektronik effizienter und präziser als bisher lasermikroschweißen lassen.

Auf eine geschickte Kombination von Roboter-Einsatz, Laserscanner mit selbstentwickelter neuer Optik und Prozessüberwachung setzt das Fraunhofer ILT aus Aachen.

Im Focus: LaserTAB: More efficient and precise contacts thanks to human-robot collaboration

At the productronica trade fair in Munich this November, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be presenting Laser-Based Tape-Automated Bonding, LaserTAB for short. The experts from Aachen will be demonstrating how new battery cells and power electronics can be micro-welded more efficiently and precisely than ever before thanks to new optics and robot support.

Fraunhofer ILT from Aachen relies on a clever combination of robotics and a laser scanner with new optics as well as process monitoring, which it has developed...

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Posterblitz und neue Planeten

25.09.2017 | Veranstaltungen

Hochschule Karlsruhe richtet internationale Konferenz mit Schwerpunkt Informatik aus

25.09.2017 | Veranstaltungen

Junge Physiologen Tagen in Jena

25.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

LaserTAB: Effizientere und präzisere Kontakte dank Roboter-Kollaboration

25.09.2017 | Messenachrichten

Fraunhofer ISE steigert Weltrekord für multikristalline Siliciumsolarzelle auf 22,3 Prozent

25.09.2017 | Energie und Elektrotechnik

Die Parkinson-Krankheit verstehen – und stoppen: aktuelle Fortschritte

25.09.2017 | Medizin Gesundheit