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Biochemie und der Bau von Ammonium-Maschinen

Nur wer die Funktionsweise eines Enzyms versteht, kann es auch nachbauen. Mit modernen Methoden der Biochemie haben die Forscher um Prof. Dr. Oliver Einsle von der Universität Freiburg in den letzten Jahren zum Beispiel die atomare Struktur eines komplexen Proteins aus Bakterien aufgeklärt, das atmosphärischen Stickstoff in eine für andere Organismen nutzbare Form umwandelt. Mit dem kürzlich durch den Europäischen Forschungsrat (ERC) verliehenen Starting Grant wollen die Forscher jetzt versuchen, diesen Enzymkomplex in einem künstlichen System nachzuempfinden, damit Pflanzen eines Tages vielleicht keinen Kunstdünger mehr brauchen.

Stickstoff ist ein essenzieller Bestandteil von Aminosäuren und damit von allen Proteinen. Pflanzen können das Element jedoch nicht direkt aus der Luft aufnehmen. Auf den Feldern mit Kartoffeln, Soja oder Mais muss Kunstdünger ausgetragen werden, der den Grünlingen das essenzielle Element als Nitratsalz zuführt. Ärmere Länder, etwa in Afrika, können sich den teuren Dünger nicht leisten, und in reicheren Ländern wie in Europa wird oftmals zu viel Chemie ausgetragen, was zu Umweltbelastungen führt. „Die große Frage ist, ob man es nicht schaffen könnte, Pflanzen derart zu manipulieren, dass sie den in der Atmosphäre als Gas präsenten Stickstoff selbst in eine biologisch verwertbare Form umwandeln können, um unabhängig von Kunstdünger zu wachsen “, sagt Prof. Dr. Oliver Einsle vom Institut für Organische Chemie und Biochemie der Universität Freiburg. „Helfen kann dabei das Verständnis der Biochemie von Bakterien, die Teil des atmosphärischen Stickstoffkreislaufs sind.“

Schritt für Schritt zur künstlichen Enzymsynthese

Ein Modell der Konstruktion aus Eisen- und Schwefelatomen sowie einem Molybdänatom im aktiven Zentrum der Nitrogenase. © Prof. Dr. Oliver Einsle.

Der Stickstoff, der in der Erdatmosphäre als Stickstoff-Gas N2 oder in oxidierter Form als NO2, N2O oder NO vorkommt, ist für Pflanzen nicht verwertbar. In eine verwertbare Form bringen ihn erst Bakterien, die Stickstoffgase im biochemischen Prozess der sogenannten Stickstofffixierung in Ammoniumionen (NH4+) umwandeln. Dafür besitzen die entsprechenden Mikroorganismen ein Enzym, das eine wichtige Rolle spielt, die sogenannte Nitrogenase. In den letzten Jahren haben Einsle und sein Team die Vorstellungen über die Struktur dieses Enzyms mit Hilfe von biochemischen Methoden wie der Kristallstrukturanalyse verfeinert. Bis in den aktiven Kern des Enzyms haben sie hineingeblickt und gezeigt, dass die entscheidende Reaktion der Stickstofffixierung von dem größten heute bekannten Grundgerüst aus Eisen-, Molybdän- und Schwefelatomen vermittelt wird. Inzwischen haben die Forscher eine gute Vorstellung davon, wie die Reaktion abläuft. Jetzt geht es darum, dieses Wissen einer Pflanzenzelle einzuimpfen.

Helfen kann hierbei ein Ansatz aus der Synthetischen Biologie. Für das geplante Projekt „N-ABLE“ wurden Einsle und Co. in diesem Jahr mit dem renommierten Starting Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) ausgezeichnet. Die damit verbundene finanzielle Förderung mit 1,64 Millionen Euro soll den Forschern nun helfen, ihr Wissen in ein künstliches System zu übertragen. So wollen sie in den nächsten Jahren in einer einfachen E.-coli-Zelle Schritt für Schritt die Maschinerie aufbauen, die für die Stickstofffixierung notwendig ist. Und das ist kein banales Problem. Denn zwar handelt es sich um ein einzelnes Enzym, aber erstens besteht dieses aus drei Untereinheiten und zweitens sind an seiner Synthese mindestens zwanzig Gene beteiligt. Einige der Produkte dieser Gene sind für die korrekte Faltung der Einzelbestandteile und deren Zusammenbau verantwortlich, andere liefern die nötige Energie, indem sie ATP spalten und Elektronen über Membranen pumpen, um elektrochemische Potenziale als Kraftquellen aufzubauen.

Vielfältige Interessen und klinische Perspektiven

„Die Idee ist es, zunächst einmal mit biochemischen Methoden alle einzelnen Mechanismen zu identifizieren, die für den Aufbau des System nötig sind“, sagt Einsle. „Und parallel dazu wollen wir dann jede einzelne Komponente Schritt für Schritt in E. coli zusammenzusetzen und untersuchen, welche von den Komponenten wann und auf welche Weise zusammenkommen müssen, damit am Ende die entscheidende Reaktion ablaufen kann.“ Das Ergebnis soll eine Art genetisches Modul sein, das theoretisch auch in eine Pflanzenzelle eingebaut werden kann. Damit soll sich eine Nitrogenase-Maschinerie ohne weiteres Zutun in das normale Tagesgeschäft der Pflanzenzelle einfügen und aus dem atmosphärischen Stickstoff Ammoniumionen herstellen. Diese Anwendung ist freilich erst am Horizont zu erahnen. Aber Einsle und sein Team interessiert nicht zuletzt, was sie aus dem Projekt als grundlegendes Wissen über die biochemischen Mechanismen lernen können.

Dieser Proteinkomplex aus fünf Untereinheiten ist ein Transporter für das Salz der Ameisensäure und sitzt in der Membran von Bakterienzellen. © Universität Freiburg.

Denn die Interessen der Gruppe sind viel weiter gestreut. Während der Forschung an Enzymen des Stickstoffmetabolismus in Bakterien sind sie vor einigen Jahren auf andere Enzyme gestoßen. Zum Beispiel auf einen in der Membran einer Bakterienzelle sitzenden Komplex aus fünf verschiedenen Proteinuntereinheiten, der das Salz der Ameisensäure über die Membran schleusen kann. Die Ameisensäure ist eines der Energiestoffwechselprodukte von Bakterien, die zum Beispiel im menschlichen Darm leben. In vielen Fällen kann es von spezialisierten Mikroorganismen - darunter auch Krankheitserregern wie Salmonella – als zusätzliche Energiequelle genutzt werden. In der jüngsten Publikation des Einsle-Teams ist es den Freiburger Forschern gelungen, die Struktur des Proteinkomplexes aufzuklären und wichtige Informationen über das Transportverhalten zu gewinnen. „Dieses Wissen könnte irgendwann dazu dienen, Erreger wie Salmonellen durch die Anvisierung des Transporters mit Wirkstoffen zu schwächen“, sagt Einsle.

Klinisch relevant dürfte außerdem die Beteiligung des Einsle-Teams am Sonderforschungsbereich „Medizinische Epigenetik – Von grundlegenden Mechanismen zu klinischen Anwendungen” (SFB 992) sein. In diesem Projekt geht es um die Identifizierung von Wirkstoffen, die das epigenetische Gedächtnis einer Zelle beeinflussen können, um so zum Beispiel die Programmierung von Krebszellen zu verändern. „Alle unsere Projekte haben diese anwendungsorientierten Perspektiven“, sagt Einsle. „Die Forschung muss aber noch einige Biochemie-Hausaufgaben machen, bevor sie anfängt, das Wissen in konkrete Produkte zu gießen.“

Glossar

  • Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine; es gibt insgesamt 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen.
  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Escherichia coli (Abk.: E. coli) ist ein Colibakterium, das im menschlichen Darm vorkommt. Varianten dieses Colibakteriums (E. coli K12), denen bestimmte, für das Überleben in freier Wildbahn notwendige Eigenschaften des Wildtypbakteriums fehlen, werden in der Gentechnik häufig als so genannter Empfängerorganismus für die Klonierung von rekombinanten DNA-Stücken eingesetzt.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Die Epigenetik beschäftigt sich mit den vererbbare Veränderungen in der Genexpression, die nicht auf Abweichungen in der Sequenz der DNA zurückzuführen sind.
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