Detaillierte Struktur eines NXR-Stranges
NEWS | 15.07.2021

Tür­me aus En­zy­men hel­fen Mi­kro­ben beim Wach­sen

For­schen­de be­stim­men Struk­tur ei­nes wich­ti­gen ni­trit-oxi­die­ren­den En­zyms im glo­ba­len Stick­stoff­kreis­lauf

Forschende dreier Max-Planck-Institute (MPI), des MPI für medizinische Forschung in Heidelberg, des MPI für Marine Mikrobiologie in Bremen, einem Mitglied der DAM, und des MPI für Biophysik in Frankfurt und der Radboud Universität in Nimwegen ist es gelungen, die Struktur des Enzyms zu bestimmen, das einen großen Teil des Nitrats auf der Erde produziert. Mikroorganismen nutzen dieses Enzym, genannt NXR oder Nitrit-Oxidoreduktase, um giftiges Nitrit in Nitrat umzuwandeln. Sowohl Nitrit als auch Nitrat sind Formen von Stickstoff, die einen großen Einfluss auf unsere Umwelt haben. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Fachjournal Nature Microbiology veröffentlicht.

Ni­trat ist ein Nähr­stoff und für vie­le bio­lo­gi­sche Pro­zes­se, zum Bei­spiel für das Wachs­tum der Pflan­zen, ein wich­ti­ges Mo­le­kül, das auf der Erde in gro­ßen Men­gen (ca. 600 Mil­li­ar­den Ton­nen) vor­kommt. Na­he­zu das ge­sam­te in der Na­tur vor­kom­men­de Ni­trat wird da­bei durch die Oxi­da­ti­on von Ni­trit durch die Ni­trit-Ox­ido­re­duk­ta­se (NXR) her­ge­stellt. NXR ist so­mit ein ent­schei­den­des En­zym im glo­ba­len bio­lo­gi­schen Stick­stoff­kreis­lauf. Es kommt zum ei­nen in ni­tri­t­oxi­die­ren­den Bak­te­ri­en (NOB, ein­schließ­lich Co­mam­m­ox-Or­ga­nis­men) vor, die den Groß­teil des Ni­trats in der Um­welt er­zeu­gen, zum an­de­ren in an­ae­ro­ben am­mo­ni­um­oxi­die­ren­den (Anam­m­ox) Bak­te­ri­en. Anam­m­ox-Bak­te­ri­en pro­du­zie­ren etwa die Hälf­te des Dis­tick­stoff­ga­ses (N2) in un­se­rer At­mo­sphä­re. Die be­tei­lig­ten Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler konn­ten nun die Struk­tur des En­zyms NXR aus Anam­m­ox-Bak­te­ri­en auf­klä­ren.

Die Er­geb­nis­se zei­gen im De­tail, wie NXR auf­ge­baut ist: Die ein­zel­nen NXR-Ein­hei­ten sta­peln sich wie Rü­cken­wir­bel tur­mar­tig über­ein­an­der, eine bis­her nicht be­ob­ach­te­te Struk­tur. “Kryo-Elek­tro­nen­to­mo­gra­phie und he­li­ka­le Re­kon­struk­ti­on ha­ben ge­zeigt, dass NXR die­se un­ge­wöhn­li­che tu­bu­lä­re Struk­tu­ren, wie lan­ge Fa­sern, in den Anam­m­ox-Zel­len aus­bil­det”, so Kris­ti­an Par­ey vom Max-Planck-In­sti­tut für Bio­phy­sik. Ihre Funk­ti­on ist der­zeit je­doch noch un­klar. Ein­deu­ti­ger ist die Struk­tur der ein­zel­nen NXR-Mo­le­kü­le: auf ei­ner Sei­te gibt es eine so­ge­nann­te „ak­ti­ve Ta­sche“, in der Ni­trit ge­bun­den und in Ni­trat um­ge­wan­delt wird. Da­bei wer­den Elek­tro­nen frei­ge­setzt und über eine Art elek­tri­sche Lei­tung zur an­de­ren Sei­te des Mo­le­küls trans­por­tiert. Dort kön­nen die­se Elek­tro­nen von an­de­ren Mo­le­kü­len ab­ge­grif­fen wer­den und für den Zell­stoff­wech­sel ge­nutzt wer­den. “NXR wird we­gen sei­ner Be­deu­tung für den glo­ba­len Stick­stoff­kreis­lauf schon seit Jahr­zehn­ten un­ter­sucht, aber wie NXR-Mo­le­kü­le ge­nau aus­se­hen, wuss­ten wir nicht”, sagt Tho­mas Ba­rends, Grup­pen­lei­ter am MPI für me­di­zi­ni­sche For­schung in Hei­del­berg. “Jetzt ken­nen wir die de­tail­lier­te Struk­tur die­ser Mo­le­kü­le, was hilft, die Funk­ti­ons­wei­se von NXR zu ver­ste­hen.“

„Bei Anam­m­ox-Bak­te­ri­en war die Ver­bin­dung zwi­schen Ni­trit-Oxi­da­ti­on und Ni­trit-Re­duk­ti­on bis­her rät­sel­haft“, er­gänzt Boran Kartal, Gruppenleiter am MPI für Marine Mikrobiologie in Bremen. „Die­se Stu­die bringt uns ei­nen gro­ßen Schritt wei­ter um zu ver­ste­hen, wie die­se Mi­kro­or­ga­nis­men die En­er­gie­pro­duk­ti­on und Wachs­tum ver­bin­den.“ Der Anam­m­ox-Pro­zess ist ein be­son­ders span­nen­der Teil des Stick­stoff-Kreis­laufs: Durch die­sen Pro­zess wer­den Ni­trit oder Stick­oxid und Am­mo­ni­um di­rekt in mo­le­ku­la­ren Stick­stoff (N2) um­ge­wan­delt, der im­mer­hin 78% un­se­rer At­mo­sphä­re aus­macht. „Un­se­re de­tail­lier­te Un­ter­su­chung des mo­le­ku­la­ren Me­cha­nis­mus der Ni­tri­t­oxi­da­ti­on wird uns hel­fen, die Fak­to­ren auf­zu­de­cken, die die Ni­trat­pro­duk­ti­on in der Na­tur steu­ern, die ein wich­ti­ger Schritt im öko­lo­gi­schen Nähr­stoff­kreis­lauf ist“, so Kar­tal wei­ter.

„Auf­grund der gro­ßen Um­welt­be­las­tung durch Ni­trit und Ni­trat ist es wich­tig zu wis­sen, wie Bak­te­ri­en mit die­sen Sub­stan­zen um­ge­hen, um von den Pro­zes­sen zu ler­nen“, be­tont auch Ba­rends. We­gen ih­rer Ei­gen­schaf­ten wer­den Anam­m­ox-Bak­te­ri­en zu­neh­mend zur Rei­ni­gung von Ab­wäs­sern in Klär­wer­ken ein­ge­setzt. Die Funk­ti­ons­wei­se bes­ser zu ver­ste­hen, könn­te zu ei­nem ef­fi­zi­en­te­ren Ein­satz füh­ren.

Ori­gi­nal­ver­öf­fent­li­chung

Tadeo Moreno Chicano, Lea Dietrich, Naomi M. de Almeida, Mohd. Akram, Elisabeth Hartmann, Franziska Leidreiter, Daniel Leopoldus, Melanie Mueller, Ricardo Sánchez, Guylaine H. L. Nuijten, Joachim Reimann, Kerstin-Anikó Seifert, Ilme Schlichting, Laura van Niftrik, Mike S. M. Jetten, Andreas Dietl*, Boran Kartal*, Kristian Parey*, Thomas R. M. Barends* (2021): Structural and functional characterization of the intracellular filament-forming nitrite oxidoreductase multiprotein complex. Nature Microbiology 2021
DOI:10.1038/s41564-021-00934-8

Kontakt:

Dr. Boran Kartal
Forschungsgruppe Mikrobielle Physiologie
Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie
Celsiusstr. 1, 28359 Bremen, Deutschland
Tel.: +49 421 2028-6450
E-Mail: bkar­tal(at)mpi-bre­men.de

Dr. Fanni Aspetsberger
Pressesprecherin
Celsiusstr. 1, 28359 Bremen, Deutschland
Tel.: +49 421 2028-9470
E-Mail: presse(at)mpi-bremen.de

Header-Bild: Detaillierte Struktur eines NXR_Stranges, Grafik: Lea Dietrich, Kristian Parey, Thomas Barends.

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