Marburger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beschreiben ein Sch\u00fcsselenzym der biologischen Methanproduktion. Ihre Erkenntnisse sind ein wichtiges Puzzlest\u00fcck der Klimaforschung.
\nEin Durchbruch in der Methanforschung ist einem Forschungsteam der Philipps-Universit\u00e4t gelungen. Im Forschungsmagazin „Nature“ ver\u00f6ffentlichen die Marburger neue Erkenntnisse zum Verst\u00e4ndnis der Aktivierung der Methyl Coenzym M Reduktase (MCR). Sie ist eines der h\u00e4ufigsten Enzyme auf der Erde, das f\u00fcr nahezu die gesamte biologische Methanproduktion verantwortlich ist.
\nMethan (CH4) hat ein erheblich h\u00f6heres Treibhauspotenzial als CO2 und tr\u00e4gt wesentlich zum globalen Klimawandel bei. Die Forschenden um Fidel Ram\u00edrez-Amador, Sophia Paul und Dr. Anuj Kumar aus der Arbeitsgruppe von Dr. Jan Schuller haben erstmals den MCR-Aktivierungskomplex aus einem methanogenen Modellorganismus isoliert und charakterisiert.
\n„Wir fanden heraus, dass ein kleines Protein namens McrC in Kombination mit methanogenen Markerproteinen (MMPs) sowie einer ATPase in einem ATP-abh\u00e4ngigen Prozess zusammenwirkt, um MCR zu aktivieren“, erkl\u00e4rte Ram\u00edrez-Amador. Er ist einer der leitenden Autoren der Studie. „Unsere Ergebnisse verdeutlichen, wie ATP die notwendige Energie liefert, um diesen anspruchsvollen Aktivierungsprozess voranzutreiben und MCR zur Methanproduktion zu bef\u00e4higen.“
\nObwohl MCR seit Jahren untersucht wird, war der genaue Mechanismus seiner Aktivierung in methanogenen Organismen bisher unverstanden. Das ist unter anderem auf das zentrale Nickelatom des einzigartigen Cofaktors F430 im Zentrum des Enzyms zur\u00fcckzuf\u00fchren. Die Aktivierung des Nickels erfordert die \u00dcberwindung einer betr\u00e4chtlichen Energiebarriere, was sie zu einer der herausforderndsten Redoxreaktionen in der Natur macht.
\nWie fr\u00fche Lebensformen diese Aktivierung erreicht haben, ist bis heute eine offene Frage. „Wir glauben, dass die Bindung und Hydrolyse von ATP die katalytische Aktivierung des Coenzyms F430 in MCR ausl\u00f6st“, berichtete Sophia Paul. Sie ist ebenfalls Erstautorin der Studie.
\nDar\u00fcber hinaus konnten die Forschenden drei einzigartig koordinierte und hoch spezialisierte Metallverbindungen – sogenannte „L-Cluster“ – mit Hilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie identifizieren, von denen man bisher annahm, sie k\u00e4men nur in Nitrogenasen vor. Sie sind das einzige Enzym, das atmosph\u00e4rischen Stickstoff in bioverf\u00fcgbare Formen umwandeln kann. „Mit unseren hochaufl\u00f6senden Kryo-EM-Strukturen k\u00f6nnen wir nicht nur die Details des L-Clusters auf atomarer Ebene aufdecken, sondern auch verschiedene Funktionszust\u00e4nde des Enzyms erfassen, die den Aktivierungsprozess mit dem komplexen katalytischen Mechanismus von MCR verbinden“, erkl\u00e4rte der Strukturbiologe Dr. Anuj Kumar. Der Postdoktorand ist ebenso Erstautor der Studie.
\nDiese Ergebnisse st\u00e4rken nicht nur die Hypothese, dass Methanproduktion und Stickstofffixierung einen gemeinsamen evolution\u00e4ren Ursprung haben, sondern sie haben auch weitreichende Auswirkungen auf das Verst\u00e4ndnis davon, wie komplexe chemische Reaktionen in energiearmen Umgebungen ablaufen. „Unsere Erkenntnisse liefern wertvolle Ans\u00e4tze f\u00fcr die Klimaforschung, da sie uns langfristig helfen k\u00f6nnten, Methanemissionen gezielt zu regulieren oder gar zu begrenzen“, betonte Schuller. „Gleichzeitig erweitern sie unser Verst\u00e4ndnis der evolution\u00e4ren Zusammenh\u00e4nge zwischen zwei der wichtigsten biogeochemischen Kreisl\u00e4ufe der Erde.“ Mit Hilfe modernster Methoden der Kryo-Elektronenmikroskopie konnte seine Arbeitsgruppe erstmals ein detailliertes Bild dieses fundamentalen biologischen Prozesses erstellen.
\n„Diese Forschungsergebnisse stellen einen Meilenstein im Verst\u00e4ndnis grundlegender biochemischer Prozesse dar und unterstreichen einmal mehr die Exzellenz der Universit\u00e4t Marburg im Profilbereich ,Mikrobiologie, Biodiversit\u00e4t und Klima'“, sagte Uni-Vizepr\u00e4sident Prof. Dr. Gert Bange. „Ich freue mich sehr f\u00fcr unseren DFG-Emmy-Noether-Gruppenleiter und ERC Starting Grantee, Jan Schuller.“
\nDiese neuen Erkenntnisse haben weitreichende Perspektiven. In der Klimaforschung k\u00f6nnte das Verst\u00e4ndnis der biologischen Methanproduktion dazu beitragen, die Methanfreisetzung zu regulieren oder sogar zu begrenzen. Gleichzeitig bieten die Forschungsergebnisse Ansatzpunkte, um Methan-abbauende Mikroorganismen, die verwandte Enzyme nutzen, gezielt zu untersuchen und m\u00f6glicherweise f\u00fcr Klimaschutzma\u00dfnahmen nutzbar zu machen.
\nIn der Evolutionsbiologie ist der Nachweis der L-Cluster in der Aktivierungsmaschinerie von MCR ein wichtiger Schritt, um die Verbindungen zwischen Methanbildung und Stickstofffixierung besser zu verstehen. „Dies k\u00f6nnte neue Einblicke in die Entwicklung grundlegender Stoffwechselprozesse liefern und unsere Sicht auf die fr\u00fche Evolution des Lebens auf der Erde nachhaltig ver\u00e4ndern“, berichtete Erstautorin Paul.<\/p>\n
* pm: Philipps-Universit\u00e4t Marburg<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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