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Nitrogenasen: Zauberkünstler verwandeln Kohlenmonoxid in Kohlenwasserstoff

Wofür Menschen Jahrzehnte der Forschung brauchen, das betreiben kleine Enzyme vermutlich schon seit Jahrmilliarden. Das von Chemikern entwickelte Haber-Bosch-Verfahren verbindet elementaren Luftstickstoff mit Wasserstoff zu Ammoniak, der als Düngemittel in der Landwirtschaft verwendet wird. Knöllchenbakterien leben in Symbiose mit Leguminosen und beherrschen diese Synthese dank des Enzyms Nitrogenase schon längst. Wie die Nitrogenase diese energieaufwendige Leistung vollbringt und warum sie manchmal auch andere Stoffe mit erstaunlichem Ergebnis umsetzt, das beschäftigt Prof. Dr. Oliver Einsle vom Institut für Biochemie der Universität Freiburg. Er klärte einen Mechanismus auf, der es dem Enzym erlaubt, giftiges Kohlenmonoxid in Kohlenwasserstoffe umzuwandeln. Würden Nutzpflanzen eigene Nitrogenasen herstellen, könnten neben Düngerproblemen noch so manche andere vielleicht gelöst werden.

Analysiert die Feinstruktur und Funktionsweise der Nitrogenase und wird immer wieder von ihr überrascht: der Biochemiker Prof. Dr. Oliver Einsle. © privat

Stickstoff ist für alle Biosynthesen organischer Moleküle wie Proteine, DNA und viele Zucker essenziell. Pflanzen können den sehr stabilen molekularen Stickstoff aus der Luft nicht nutzen, da seine Dreifachbindung nur mit hohem Energieaufwand geknackt werden kann. So sind fast alle Pflanzen auf die Zufuhr reaktiver Stickstoffverbindungen (Nitrat oder Ammonium) über die Wurzeln angewiesen, die sie dann in ihre Aminosäuren einbauen. „Menschen können biochemisch noch weniger“, sagt Prof. Dr. Oliver Einsle vom Institut für Biochemie der Universität Freiburg, „wir müssen die Pflanzen essen, um an den Stickstoff zu kommen.“ Er und sein Team arbeiten mit einem Enzym, das darauf spezialisiert ist, molekularen Stickstoff aus der Luft zu fixieren und in reduzierte Verbindungen umzusetzen. Diese Nitrogenase ist ein bakterielles und extrem sauerstoffempfindliches Protein. Daher kann sie nur arbeiten, wenn sie durch die Bakterienzelle zuverlässig vor Sauerstoffkontakt geschützt wird. Manche Bakterienarten sind daher auch nur in Symbiose zur Stickstofffixierung fähig. (Anm. d. Red.: In der Symbiose von Pflanzenzelle und Bakterium bildet die Pflanzenzelle Leghämoglobin und hält so den Sauerstoff-Partialdruck unter einem für die Nitrogenase schädlichen Wert.)

Umwandlungskünstler und Stickstofffixierer: das Enzym Nitrogenase als Oberflächenmodell. © Prof. Dr. Oliver Einsle, Universität Freiburg.

Feinstruktur der Nitrogenase

Einsle möchte verstehen, wie die Nitrogenase funktioniert. Noch immer ist unbekannt, wo und wie Stickstoff im Inneren des Enzyms gebunden und umgewandelt wird. Was man weiß: Nitrogenasen bestehen aus zwei Teilen, dem Eisenprotein außen und dem Molybdän-Eisen-Protein, das im Inneren das Metallzentrum inklusive den einzigartigen Eisen-Molybdän-Cofaktor (FeMoCo) trägt. Wo genau in diesem Zentrum der Stickstoff bindet, ist schwierig herauszufinden. „Sobald ein Stickstoffmolekül bindet, läuft die Reaktion schon ab“, erklärt Einsle, „wir haben noch keine Technik gefunden, mit der wir diesen Zustand festhalten können.“

Zudem ist der Prozess sehr aufwendig, weil sich der gesamte Enzymkomplex für die Reaktion mehrmals neu aufbauen muss. „Das lässt sich in Kristallen nicht statisch darstellen, weil sich hier Proteine gegeneinander bewegen müssen“, so der Biochemiker. In der Röntgenkristallographie sieht man, dass der Zustand des symmetrischen Metallzentrums mit Kohlenstoff in der Mitte und einem Molybdän-Atom in der Umgebung außerordentlich stabil ist. Damit irgendwo ein Stickstoff binden kann, müssen erst ein Ligand entfernt und eine Bindestelle freigelegt werden.

Hemmung fördert Mechanismus zutage

Im Metallzentrum der Nitrogenase bindet Kohlenmonoxid (schwarz-blau) an zwei Eisenatome (grau) und verdrängt dabei den Schwefel (schwarz-rot). © Prof. Dr. Oliver Einsle, Universität Freiburg.

Um die Funktionsweise der Nitrogenase besser zu durchleuchten, kühlten Einsle und seine Kollegen die Kristalle herunter, um chemische Prozesse zu verlangsamen, und inhibierten das Metallzentrum mit giftigen Substanzen. Irgendwann hatten sie Erfolg. „Wir mussten einen ziemlich fiesen Trick anwenden“, eröffnet Einsle, „wir haben dem Enzym alles gegeben, was es zum Arbeiten braucht und es dann mit Kohlenmonoxid vergiftet.“ Kohlenmonoxid ist eigentlich ein Inhibitor, der das Enzym an einer Stelle blockiert, sodass Stickstoff nicht mehr binden kann. Vor ein paar Jahren stellte sich heraus, dass der Hemmstoff mit sehr geringer Rate auch im Enzym umgesetzt wird - das Ergebnis: Kohlenwasserstoffe. Hier ist die Reaktion jedoch so langsam, dass Einsle und sein Team das Kohlenmonoxid noch gebunden sehen können, bevor es umgewandelt wird. Allerdings findet die Bindung an einem Ort statt, mit dem niemand gerechnet hatte.

Klar war, dass eine Bindung aufgebrochen werden musste, damit ein neues Molekül Platz hat. Statt aber den zentralen Kohlenstoff zu verdrängen, verschwand ein anderes Atom aus dem Wirkungsbereich des FeMo-Cofaktors. „Völlig unerwartet war, dass dieses Metallzentrum, das wir als stabil angesehen hatten, so eine Flexibilität besitzt, dass das Enzym während der Reaktion ein Schwefelatom rausnehmen und woanders einbauen kann“, staunt Einsle. „Solche chemischen Umlagerungen hat man bisher nie in biologischen Systemen beobachtet.“ Das Kohlenmonoxid sitzt dann zwischen zwei Eisenatomen und das ist chemisch sehr vernünftig, „denn Kohlenmonoxid und Metalle mögen sich.“ Ist die Reaktion vorbei, verschwindet Kohlenmonoxid, und der Schwefel geht zurück an seinen Platz - laut Einsle ein Riesenaufwand. „Ein Atom aus so einem komplizierten Gebilde herausnehmen, etwas anderes reinsetzen und das alles nachher wieder zurücktauschen“, erklärt der Wissenschaftler, „das ist im Labor unmöglich.“

Kohlenwasserstoffe und geschlossene Kreisläufe

Ob nun bei der Reaktion mit elementarem Stickstoff das Gleiche passiert, bleibt erst mal ungewiss. In jedem Fall ist die Nitrogenase fähig, auch andere Substanzen umzusetzen, die eine Dreifachbindung aufweisen. Einsle geht davon aus, dass je nach Molekül unterschiedliche Mechanismen im Enzym ablaufen. „Das Spannende beim Kohlenmonoxid ist natürlich, dass hier Kohlenwasserstoffe gebildet werden“, sagt er. Allerdings ist die Ausbeute sehr klein. Wollte man das entstehende Buten oder Propen biotechnologisch etwa für Treibstoffe nutzen, müsste das Verfahren noch optimiert werden.

Aber die Tatsache, dass die Nitrogenase aus dem Kohlenmonoxid-Molekül nicht das einfache Methan herstellt, sondern schwierige lange Kohlenstoffketten, bringt Einsle ein weiteres Mal zum Staunen. Er ist dabei, den genauen Mechanismus nun herauszufinden und verrät schon jetzt: „Die Nitrogenase arbeitet ähnlich wie ein Ribosom, das Ketten aus Aminosäuren zu einem Protein zusammenbaut.“ Das Knüpfen der Kohlenstoffbindungen ist in der synthetischen Chemie wiederum sehr schwierig, und wenn das Enzym auch nicht dafür optimiert ist, so ist es doch dazu in der Lage. Interessant ist, dass Bakterien der Gattung Azotobacter, mit denen Einsle arbeitet, je nach verfügbarem Substrat verschiedene Nitrogenasen mit unterschiedlichen Fähigkeiten herstellen können. Lieber nehmen die Nitrogenasen ein Molybdän-Atom ins Metallzentrum, aber durchaus auch mal Vanadium. Das vanadiumhaltige Enzym setzt besser Kohlenmonoxid zu Kohlenwasserstoffen um, die Molybdänvariante kann die Stickstofffixierung besser durchführen.

Was hilft uns dieses Wissen? Die Haber-Bosch-Synthese zur Düngemittelproduktion weiter zu verbessern, ist nicht das Ziel, denn diese ist schon durchoptimiert. Auch unsere Treibstoffe müssen nicht veredelt werden. Einsle hat eher natürliche Zusammenhänge im Blick. Industriell interessant wäre die Kohlenmonoxid-Fixierung, mit der man den Treibhauseffekt abschwächen könnte. „Vielleicht können bessere Katalysatoren helfen, den Kohlenstoffkreislauf in der Natur zu schließen, der aus dem Gleichgewicht geraten ist“, so Einsle, „wenn wir den Organismen zudem beibringen, als Abfallprodukt Brennstoffe herzustellen, wäre das natürlich ideal.“

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