Forschende am Zentrum für Synthetische Mikrobiologie (SYNMIKRO) der Philipps-Universität Marburg und der TU Berlin haben einen Durchbruch im Verständnis der Aktivierung des Enzyms Methyl-Coenzym-M-Reduktase (MCR) erzielt. Dieses Enzym ist entscheidend für nahezu die gesamte biologische Methanproduktion und gehört zu den häufigsten Enzymen auf der Erde. Die bahnbrechenden Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht und könnten erhebliche Auswirkungen auf die Forschung für erneuerbare Energiequellen haben.
MCR spielt eine zentrale Rolle im anaeroben Metabolismus von Methan und katalysiert sowohl den letzten Schritt der Methanogenese als auch den ersten Schritt der anaeroben Oxidation von Methan (AOM). Die Forschung zeigt eine evolutionäre Verbindung zwischen der Methanogenese, bei der Methan aus organischen Verbindungen gebildet wird, und der Stickstofffixierung, die als erster Schritt des globalen Stickstoffkreislaufs dient. Dieser Prozess wandelt Stickstoff aus der Luft in biologisch verfügbarere Formen um.
Funktion und Bedeutung von MCR
Das Enzym MCR enthält das Coenzym F430, dessen Funktion von einem Nickelion im Oxidationszustand Ni(1+) abhängt. Die Aktivierung dieses Nickelions erfordert das Überwinden einer energetischen Hürde, die als eine der anspruchsvollsten Redoxreaktionen gilt. Dies ist besonders relevant, da Methanogene jährlich bis zu einer Milliarde Tonnen Methan produzieren, was sowohl zur Erderwärmung beiträgt als auch eine potenzielle nachhaltige Energiequelle darstellt.
Das Forschungsteam isolierte und charakterisierte den MCR-Aktivierungskomplex aus Methanococcus maripaludis. Dabei wurde erkannt, dass ein kleines Protein namens McrC MCR in einem ATP-abhängigen Prozess aktiviert. Drei spezialisierte Metallkomplexe, die für den Aktivierungsmechanismus notwendig sind, wurden identifiziert und sind auch in der Nitrogenase zu finden. Spektroskopische Untersuchungen bestätigten, dass diese Kofaktoren aus Eisen und Schwefel bestehen, die entscheidend für den Elektronentransfer sind.
Einblicke in die Methanogenese
Methanogenese selbst stellt die vierte und letzte Stufe der anaeroben Zersetzung dar und erfolgt in anoxischen Umgebungen, wobei die Methanogene zur Domain der Archaea gehören. Diese Mikroben leben häufig in Assoziation mit anaeroben Bakterien. Sie nutzen weder Sauerstoff, da dieser ihr Wachstum hemmt, sondern setzen kohlenstoffhaltige Verbindungen als Elektronenakzeptoren ein.
In der Methanogenese gibt es drei Hauptwege: den hydrogenotrophen, aceticlastischen und methylotrophen Weg. Der wasserstoffotrophe Weg produziert Methan aus Kohlendioxid und Wasserstoff, während der aceticlastische Weg Acetat in Methan und Kohlendioxid umwandelt. Verschiedene Coenzyme und Cofaktoren, wie F420, Coenzym B und Coenzym M, sind für diese Prozesse essentiell.
Der Verbleib von Methan in der Umwelt ist nicht nur wichtig für die Energiegewinnung, sondern auch für das Verständnis des globalen Kohlenstoffzyklus. Methan hat ein globales Erwärmungspotential, das 25-mal höher ist als das von Kohlendioxid, und trägt somit erheblich zur Erderwärmung bei durch natürliche und anthropospezifische Prozesse.
Die Forschung zu MCR und Methanogenese eröffnet vielversprechende Möglichkeiten zur Bekämpfung des Klimawandels, da ein tiefgehendes Verständnis dieser Prozesse helfen kann, innovative Technologien für die Energieerzeugung und die Kohlenstoffdioxidbindung zu entwickeln. Dr. Christian Lorent, Mitautor der Studie, hebt das enorme Potenzial der Grundlagenforschung hervor und betont die Rolle dieser Mikroben in einer nachhaltigeren Zukunft.
Insgesamt zeigt die neue Studie, wie eng Methanogenese und Stickstofffixierung miteinander verwoben sind, und bietet Ansätze, die nicht nur für die Wissenschaft, sondern auch für wirtschaftliche und ökologische Herausforderungen von Bedeutung sind. Der Einfluss dieser Forschung reicht weit über das Labor hinaus, da sie helfen könnte, die Herausforderungen durch den globalen Energiebedarf und den Klimawandel anzugehen.
Für mehr Informationen zu den spezifischen Mechanismen und den einzigartigen Eigenschaften von MCR, die für die anaerobe Methanproduktion wichtig sind, können die umfänglichen Studien in den Artikeln von TU Berlin, PMC und Wikipedia nachgelesen werden.