Forschende am Zentrum für Synthetische Mikrobiologie (SYNMIKRO) der Philipps-Universität Marburg und der TU Berlin haben einen bedeutenden Fortschritt in der Erforschung der Methyl-Coenzym-M-Reduktase (MCR), einem Schlüsselenzym der biologischen Methanproduktion, erzielt. Laut TU Berlin wurde dieser Durchbruch in einer Studie erzielt, die kürzlich in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht wurde. MCR spielt eine zentrale Rolle für nahezu die gesamte biologische Methanproduktion und ist eines der häufigsten Enzyme auf der Erde. Dies hat erhebliche Implikationen für das Verständnis der Methanogenese und des Klimawandels.
Die durchgeführte Studie untersucht einen evolutionären Zusammenhang zwischen der Methanogenese und der Stickstofffixierung. Dabei handelt es sich um einen essenziellen Prozess im globalen Stickstoffkreislauf, bei dem Mikroorganismen Stickstoff aus der Luft aufnehmen und in eine nutzbare Form umwandeln. Dr. Christian Lorent, Mitautor der Studie, hebt hervor, dass die Grundlagenforschung in diesem Bereich potenziell zur Bewältigung von Energiebedarf und Klimawandel beitragen kann.
Der Mechanismus der Methanproduktion
Methanogene Archaeen erzeugen jährlich bis zu eine Milliarde Tonnen Methan, was sowohl zur Erderwärmung beiträgt, als auch Möglichkeiten für erneuerbare Energien bietet. MCR ist dabei für die katalytische Umwandlung von Methyl-CoM und CoB zu Methan verantwortlich, wobei die Aktivierung des Enzyms eine komplexe energetische Hürde aus dem Nickelion im Oxidationszustand Ni(1+) erforderlich macht. Dies gilt als eine der anspruchsvollsten Redoxreaktionen.
Die isolierten Komponenten des MCR-Aktivierungskomplexes aus Methanococcus maripaludis wurden im Detail untersucht. Ein kleines Protein namens McrC spielt eine wesentliche Rolle bei der Aktivierung des MCR in einem ATP-abhängigen Verfahren. Die Studie identifizierte auch drei spezialisierte Metallkomplexe, die für den Aktivierungsmechanismus benötigt werden und in der Nitrogenase vorkommen. Spektroskopische Untersuchungen bestätigen, dass diese Kofaktoren aus Eisen und Schwefel bestehen und entscheidend für den Elektronentransfer sind.
Bedeutung des Forschungsfeldes
Die Methanogenese ist einer der letzten Schritte der anaeroben Verdauung und ist von entscheidender Bedeutung für den globalen Kohlenstoffkreislauf. Methanogenese erfolgt anaerob, wobei Mikroben, die als Methanogene bekannt sind, Methan bilden. Dies geschieht in anoxischen Umgebungen, wo die Nutzung von Sauerstoff nicht möglich ist. Zwei Hauptwege der Methanogenese beinhalten den aceticlastischen und den hydrogenotrophen Ansatz. Diese metabolischen Prozesse tragen zur Bildung von Methan bei, was 25 Mal so potentes Treibhausgas wie Kohlendioxid ist.
Das Verständnis der Mechanismen, die der Methanproduktion zugrunde liegen, hat nicht nur für die Biotechnologie, sondern auch für das Verständnis der Rolle von Methan in ökologischen Systemen eine hohe Relevanz. Das Team von Dr. Christian Lorent widmet sich daher weiterhin der Erforschung der Reaktionsmechanismen und der Kopplung unterschiedlicher Metalloenzyme zur Verbesserung der Energieerzeugung und Kohlenstoffdioxidbindung. Diese Erkenntnisse könnten erhebliche Auswirkungen auf unsere Fähigkeit haben, die Herausforderungen des Klimawandels zu bewältigen und erneuerbare Energiequellen zu entwickeln.