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Metallenzym öffnet Benzolring

Aromatische Ringe sind extrem stabil und lassen sich chemisch nicht leicht aufbrechen. Die aus der Industrie bekannte Birch-Reduktion von Aromaten erfordert selbst für Chemiker drastische Bedingungen. Prof. Dr. Matthias Boll von der Fakultät für Biologie der Universität Freiburg und sein Team haben mit Geobacter metallireducens einen Organismus, der Aromaten auch ohne Sauerstoff vollständig abbaut. Der Abbau aromatischer Kohlenwasserstoffe ist bedeutsam für Mensch und Umwelt. Das Produkt aus einer Benzolring-Reduktion könnte auch für die Herstellung von Arzneimitteln interessant sein.

Etwa ein Viertel der Kohlenstoffverbindungen an Land enthalten Benzolringe. Hauptproduzenten aromatischer Substanzen sind vor allem Holzpflanzen, die das aus vielen Benzolringen aufgebaute Lignin bilden. Benzolringe findet man in aromatischen Aminosäuren in jedem Organismus. Stoffe wie Benzol, Toluol und Xylol sind wichtige Lösungsmittel, die Bestandteile von beispielsweise Kunststoffen, Farben und Pestiziden sind. Bis vor einigen Jahren dachte man, dass Aromaten nur mithilfe von Sauerstoff abgebaut werden könnten. Doch in den Sedimentschichten von Meeren und Seen, wo ein Großteil der Biomasse abgebaut wird, herrschen anaerobe Bedingungen. Daher muss es neben dem aeroben auch einen anaeroben Abbau geben. Wie das aromatische System geknackt wird, war bislang unklar.

Glossar

  • Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine; es gibt insgesamt 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen.
  • Ein Antibiotikum ist ein Stoffwechselprodukt von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), das in geringen Konzentrationen andere Mikroorganismen in ihrem Wachstum hemmt.
  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Katalysator ist ein Stoff, der selektiv eine bestimmte chemische oder biochemische Reaktion beschleunigt, indem er die Aktivierungsenergie herunter setzt. Der Katalysator selbst wird dabei nicht verbraucht.
  • Die Konjugation ist ein natürlicher Vorgang, mit dem bestimmte Bakterien durch „Paarung“ (Aneinanderlagern von Spender- und Empfängerzelle) genetische Information (Plasmide) austauschen. Die hierfür benötigten Gene liegen in der Regel auf den Plasmiden.
  • 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.
  • Transformation ist die natürliche Fähigkeit mancher Bakterienarten, freie DNA aus der Umgebung durch ihre Zellwand hindurch aufzunehmen. In der Gentechnik wird die Transformation häufig dazu benutzt, um rekombinante Plasmide, z. B. in E. coli, einzuschleusen. Hierbei handelt es sich um eine modifizierte Form der natürlichen Transformation.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Lignin ist ein hochmolekularer, aromatischer Stoff aus verschiedenen monomeren Bausteinen, der sich in die Zellwand von Pflanzen einlagern kann und dadurch zur Verholzung führt.
  • Als Biomasse wird die gesamte Masse an organischem Material in einem definierten Ökosystem bezeichnet, das biochemisch – durch Wachstum und Stoffwechsel von Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen – synthetisiert wurde. Damit umfasst sie die Masse aller Lebewesen, der abgestorbenen Organismen und die organischen Stoffwechselprodukte.
  • Aerob bedeutet "mit Sauerstoff".
  • Anaerob bedeutet "lebt ohne Sauerstoff".
  • Eine Hydroxylgruppe ist eine chemische Gruppe bestehend aus einem Sauerstoff- und einem Wasserstoffatom (-OH); hauptverantwortlich für Wasserstoffbrücken.

Benzol: stabil und kanzerogen

Benzol hat als einfachste aromatische Kohlenwasserstoffverbindung nur einen Ring ohne weitere funktionelle Gruppen. Es trägt sechs Kohlenstoffatome mit drei konjugierten Doppelbindungen. Diese lassen sich jedoch nicht lokalisieren, sondern sind gleichermaßen über das ganze Ringsystem verteilt, was die mit der Aromatizität verbundene Stabilität ausmacht. Der Mensch kann aromatische Ringe weder herstellen noch abbauen. „Nur Mikroorganismen können dieses Ringsystem knacken", sagt Boll von der Universität Freiburg, „wegen des hohen Vorkommens von Aromaten ist der mikrobielle Abbau wichtig für den globalen Kohlenstoffkreislauf."

Aromatische Lösungsmittel sind schon aufgrund ihrer Fettlöslichkeit recht giftig, da sie dadurch leicht in den Körper gelangen und dort Membrangefüge zerstören können. „Der Benzolring ist zudem kanzerogen, da er planar ist", weiß Boll, „er interkaliert in die DNA und führt zu falschen Ablesemustern." Man weiß, dass aerobe Bakterien aromatische Ringe mit Oxygenasen angreifen und oxidativ dearomatisieren können. In solch thermodynamisch begünstigten Reaktionen findet man die Sauerstoffatome aus der Luft in den Produkten wieder. Speziell Aromaten ohne funktionelle Gruppe sind enzymatisch schwer angreifbar. „Sind Hydroxylgruppen durch Oxygenasen angehängt, ist erstmal ein Anfang da", erklärt Boll, „sind zwei solcher Gruppen am Ring, kann er schon aufgebrochen werden." Was passiert aber dort, wo kein Sauerstoff ist, wie in Gewässersedimenten oder Erdöllagerstätten?

Birch in anaeroben Bakterien

Anaerober Abbau monozyklischer Aromaten mit dem Zwischenprodukt Benzoyl-CoA, das durch Reduktasen zu einem zyklischen Dienoyl-CoA reduziert wird. Dieses kann durch Reaktionen, die man beim Abbau von Fettsäuren kennt, weiter zu CO2 oxidiert werden. © Prof. Dr. Matthias Boll, Universität Freiburg

Boll fragt, wie sich ein aromatischer Ring ohne Sauerstoff mikrobiologisch knacken lässt. „Wenn es nicht oxidativ geht, dann geht´s eben reduktiv", lautet die simple Antwort. Für Chemiker ist es ein Riesenaufwand, das stabile System zu überwinden. 1944 entwickelte Arthur Birch eine alternative Methode zur Reduktion von Aromaten, bei der der Ring nur partiell zu einem Dien reduziert wird. Da Diene wertvolle Bausteine für weitere Synthesen sind, ist die Birch-Reduktion eine wichtige Basis in der organischen Chemie, etwa für die Synthese von Steroiden. Allerdings gelten harsche Reaktionsbedingungen: kryogene Temperaturen, Alkalimetalle als Reduktionsmittel gelöst in Ammoniak, da in wässriger Lösung die Protonen aus dem Wasser reduziert werden würden. „Die Bedingungen sind extrem unphysiologisch und viel zu reaktiv für biologische Systeme", meint Boll. Chemiker verwenden in der Birch-Reduktion elementares Natrium und generieren mit flüssigem Ammoniak solvatisierte Elektronen, die so reaktiv sind, dass sie auf den Ring übertragen werden und ihn reduzieren. „Unser Enzym macht dies bei 30 °C bei einem pH-Wert von 7 im wässrigen Milieu", schmunzelt Boll, „jeder Chemiker sagt: Das kann kein Enzym!" In Geobacter metallireducens, einem eisenatmenden, strikt anaeroben Bodenbakterium wurde ein Enzym entdeckt, das dazu fähig ist. Aber die Funktionsweise versteht man erst jetzt.

Milde Bedingungen mit Benzoyl-CoA-Reduktase

Das Wolframatom (rot) ist im aktiven Zentrum der Benzoyl-CoA-Reduktase durch Schwefelatome (gelb) an einen organischen Cofaktor und das Protein gebunden. Die Elektronen gelangen vom Wolfram über einen noch unbekannten Liganden am Wolfram zum Benzolring (schwarz) des Benzoyl-CoA. Die Protonen werden von der gegenüberliegenden Seite von einem Histidin-Rest bereitgestellt. © Prof. Dr. Matthias Boll, Universität Freiburg

Bolls Arbeitsgruppe isolierte und kristallisierte unter anderem gemeinsam mit dem Frankfurter MPI die an der Reaktion beteiligten beiden Untereinheiten. Die Untersuchung ergab erstmals Einblicke in die Struktur des aktiven Zentrums. Hier entdeckten die Forscher einen bislang einzigartigen Wolfram-Kofaktor und schrieben ihm eine maßgebliche Beteiligung an der Zerstörung des Benzolrings zu. Wolfram, eines der schwersten Metalle in der belebten Natur, war bisher nur in bestimmten Archaeen bekannt und kommt bei Menschen nicht vor. Wolfram ist aufgrund seiner chemischen Eigenschaften besonders gut geeignet, Elektronen auf extrem negative Redoxpotenziale zu übertragen. Das Substrat ist hier die aktivierte Benzoesäure Benzoyl-CoA, die eine aromatische Ringstruktur besitzt. Sie ist ein zentrales Zwischenprodukt im Stoffwechsel von Bakterien, die monozyklische Aromaten abbauen. Boll fand das Enzym in zwei Konformationen, in einer mit Zink besetzten geschlossenen, und einer mit Benzoyl-CoA besetzten offenen Form. Er sah, dass der Unterschied zwischen den beiden Konformationen wichtig ist, damit das Enzym in Abwesenheit des Substrates auch verschlossen bleibt. Im wässrigen Milieu wäre eine Öffnung fatal, da Wassermoleküle das aktive Zentrum zerstören würden. „Wenn das Substrat kommt, öffnet sich das Enzym und das Zink wird rausgekickt", so der Mikrobiologe.

Eine Besonderheit ist die energetische Kopplung dieser thermodynamisch eigentlich unmöglichen Reaktion. Während fakultative Anaerobier mit ihrem vergleichsweise simpel gebauten Enzym die Reduktion mit der Energiewährung ATP bezahlen müssen, ist in Geobacter ein sehr komplexes Enzym energetisch günstiger am Werk. Gewährleistet wird dies nach Flaschenzug-Art: Die heikle Elektronenübertragung vom Donor auf den aromatischen Ring wird an eine energieliefernde, thermodynamisch günstigere Übertragung gekoppelt. „Dieser als Elektronenbifurkation bezeichnete Prozess ist erst seit wenigen Jahren als neues Prinzip energetischer Kopplung in biologischen Systemen bekannt", erklärt Boll.

Vom molekularen zum globalen Maßstab

Boll war bis Mitte 2015 Koordinator des DFG-Schwerpunktprogramms „Biologische Transformation von Kohlenwasserstoffen ohne Sauerstoff", in dem Studien zur Aromatenspaltung ohne Sauerstoff durchgeführt wurden. Je mehr man über den anaeroben Abbau aromatischer Substanzen im globalen Kohlenstoffzyklus weiß, desto besser lassen sich zukünftig Schadstoffe in kontaminierten Böden, Grundwasser oder nach Havarie-Unglücken beseitigen. „Die Kläranlagen der Zukunft werden möglicherweise rein anaerob betrieben", meint Boll. Nicht zu unterschätzen sind mögliche pharmazeutische Anwendungen. Die Kenntnis öffnet Türen für biologische Alternativen bei der enzymatischen Herstellung von synthetischen Bausteinen, sogenannten Building Blocks, um neue Arzneimittel wie Antibiotika zu generieren. „Mit dem Enzym lässt sich gut experimentieren", weiß Boll, „die Industrie und die Chemiker würden sich sicher über einen biologischen Birch-Katalysator freuen!"

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