Forschende des Zentrums für Synthetische Mikrobiologie (SYNMIKRO) der Philipps-Universität Marburg und der Universität Potsdam haben einen bedeutenden Durchbruch im Verständnis der Methyl-Coenzym-M-Reduktase (MCR) erzielt. Diese enzymatische Aktivität ist für nahezu die gesamte biologische Methanproduktion verantwortlich und zählt zu den häufigsten Enzymen auf unserem Planeten. Die Ergebnisse der Studie, die am 17. April 2025 veröffentlicht wurden, zeigen, dass es eine evolutionäre Verbindung zwischen der Methanproduktion und der Stickstoff-Fixierung gibt, was tiefgreifende Folgen für unser Verständnis von biologischen Prozessen und deren Anwendung in der nachhaltigen Energieerzeugung haben könnte. Uni-Potsdam berichtet, dass Methan (CH4) ein starkes Treibhausgas ist, dessen biologische Umwandlung von CO2 in Methan als potenzielle erneuerbare Energiequelle gilt.
Die im Rahmen dieser Forschung gewonnenen Erkenntnisse könnten erhebliche Fortschritte in nachhaltigen Energietechnologien und beim Umweltschutz fördern. Dabei spielt die MCR eine Schlüsselrolle: Sie enthält mit F430 einen einzigartigen Nickel-Komplex, dessen Reduktion zu den komplexesten Redoxreaktionen in der Natur gehört. Das Forschungsteam isolierte und charakterisierte den MCR-Aktivierungskomplex aus dem Modell-Archaeon Methanococcus maripaludis, einer Spezies, die seit Milliarden von Jahren existiert und jährlich bis zu einer Milliarde Tonnen Methan produziert.
Struktur und Funktion der MCR
MCR ist ein Dimmer von Heterotrimeren, kodiert durch die Gene mcrABG, und benötigt das Coenzym F430, ein Nickel-haltiges Tetrapyrrol, um zu funktionieren. Dieses Enzym katalysiert den letzten Schritt der Methanbildung in Methanogenen und den ersten Schritt der Methanaktivierung in anaeroben methanotrophen Archaeen (ANME). Die Struktur der MCR, bestehend aus drei Untereinheiten in einer spezifischen α2β2γ2-Konfiguration, verfügt über zwei aktive Stellen, die F430 enthalten. Diese gewaltige Gelegenheit zur Nutzung von MCR könnte sich positiv auf die Entwicklung biokatalytischer Systeme zur Methanproduktion und -umwandlung auswirken.PMC hebt hervor, dass die Studien beschränkt sind, da die MCR aufgrund ihrer Komplexität anspruchsvolle in-vitro-Experimente erfordert. Es ist daher entscheidend, native Enzyme und neuartige rekombinante Methoden zu nutzen, um ein besseres Verständnis für MCRs zu erlangen.
Zusätzlich zeigen die neuen Daten, dass der MCR-Aktivierungskomplex aus drei hochspezialisierten Redox-Cofaktoren besteht, welche zuvor nur in der Nitrogenase bekannt waren. Diese Cofaktoren enthalten Eisen und Schwefel, was die evolutionäre Verwandtschaft zwischen diesen Systemen verdeutlicht und die Theorie untermauert, dass die Methanogenese ein sehr alter biologischer Prozess ist, der vor der Photosynthese entstand.
Kontext der Methanogenese
Methanogene Archaeen operieren in verschiedenen anaeroben Umgebungen und sind dafür verantwortlich, erhebliche Mengen an Methan zu produzieren. Angesichts der Rolle von Methan als potentes Treibhausgas ist es von großer Bedeutung, Strategien zur Reduzierung der Emissionen zu entwickeln. ANME, die in Verbindung mit sulfatreduzierenden Bakterien arbeiten, können Methan anaerob oxidieren und sind ein Beispiel für die Komplexität der gentechnischen Anpassungen, die in der Natur stattfinden.
Das Verständnis der Mechanismen hinter der Methanogenese könnte auch biotechnologische Anwendungen zur Verringerung von Methanemissionen fördern. Die neue Forschung zur MCR ist nicht nur von akademischem Interesse, sondern hat auch weitreichende Implikationen für die Entwicklung nachhaltiger Systeme zur Energieerzeugung und den Umwelt- und Klimaschutz.
