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Tiefsee-Mikrobe wandelt mit hitzestabilem Enzym Stickstoff in Ammoniak um
Eine Nitrogenase aus dem Tiefsee-Archäon Methanocaldococcus infernus bleibt bis nahe an den Siedepunkt strukturell stabil. Bei Raumtemperatur ist das Enzymsystem praktisch inaktiv, bei 50 Grad Celsius bildet es dagegen messbar Ammoniak. Seine Struktur weist zudem auf einen gemeinsamen mechanistischen Schritt verschiedener Nitrogenase-Typen hin.
Bremen (Deutschland). Molekularer Stickstoff aus der Luft ist wegen seiner stabilen Dreifachbindung für Tiere und Pflanzen nicht direkt nutzbar. Bestimmte Mikroorganismen können diese Bindung mit Hilfe der Nitrogenase aufbrechen, Stickstoff zu Ammoniak reduzieren und damit biologisch verfügbaren Stickstoff in Ökosysteme einspeisen.
Wie Nitrogenasen den besonders reaktionsträgen Luftstickstoff umsetzen, ist mechanistisch noch nicht vollständig verstanden, vor allem bei Enzymen aus extrem heißen Lebensräumen. Einige Archaeen können selbst oberhalb von 90 Grad Celsius Stickstoff fixieren und bieten deshalb ein ungewöhnliches Modell für die Grenzen dieses Enzymsystems.
Forscher vom Institut de Biologie Structurale (IBS) um Dr. Tristan Wagner haben deshalb die Nitrogenase von Methanocaldococcus infernus untersucht. Das Tiefsee-Archaeon kann bei 91,7 Grad Celsius unter stickstofffixierenden Bedingungen wachsen. Bei 93 Grad Celsius übersteht es die Hitze zunächst, verliert nach 24 Stunden aber seine Lebensfähigkeit. Das Team hat die Nitrogenase direkt aus den Zellen isoliert und anschließend Stabilität, Aktivität und Struktur analysiert.
Die zentrale NifDK-Komponente der Nitrogenase erreichte eine geschätzte Schmelztemperatur von 92,3 Grad Celsius. Das sind rund 32 Grad mehr als bei der mit derselben Methode untersuchten Nitrogenase des mesophilen Bakteriums Azotobacter vinelandii. Als Ursache schlagen die Autoren eine Neuverteilung von Salzbrücken, Wasserstoffbrücken und hydrophoben Kontaktstellen an strategischen Punkten des Proteins vor.
„Die Nitrogenase, die wir in Methanocaldococcus infernus finden, ist bemerkenswert: Sie vereint offenbar die Eigenschaften der Molybdän-, Vanadium- und Eisenformen. Sie könnte einer Ur-Nitrogenase ähneln, aus der sich alle anderen Formen entwickelt haben. Wir könnten aus ihr also grundlegende Funktionsweisen der Nitrogenase-Reaktion ableiten“, sagt Dr. Tristan Wagner.
Die Hitzestabilität bedeutet nicht, dass die isolierte Nitrogenase bei Temperaturen um 90 Grad Celsius direkt auf maximale Aktivität getestet wurde. Bei Raumtemperatur war in den Versuchen keine Ammoniakbildung messbar. Bei 50 Grad Celsius, der technisch höchsten Temperatur des verwendeten ATP-Regenerationssystems, erreichte das vollständige Nitrogenase-System dagegen 280 ± 18,2 Nanomol Ammoniak pro Minute und Milligramm NifDK.
Eine Aktivität bei 80 Grad Celsius haben die Forscher nur nach dem Arrhenius-Gesetz hochgerechnet und nicht gemessen. Die temperaturabhängigen Daten sprechen dafür, dass die extreme Stabilität das Protein bei niedrigen Temperaturen zugleich zu starr für schnelle katalytische Bewegungen macht. Gemessene Enzymaktivität, die Hitzestabilität des Proteins und das Wachstum des Organismus sind daher getrennte Größen.
„Bei Raumtemperatur ist es nicht aktiv. Wir zeigen, dass es nur bei hohen Temperaturen Ammoniak erzeugt. Da sie so stabil ist, konnten wir diese Nitrogenase auch in Zuständen untersuchen, die üblicherweise nur schwer zu fassen sind“, erklärt Nevena Maslać vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie (MPI).
Für die Strukturanalyse hat das Team die Nitrogenase unter streng sauerstofffreien Bedingungen kristallisiert und zwei Formen mit Auflösungen von 1,37 und 1,21 Ångström bestimmt. Das Protein besitzt einen vergleichsweise einfachen Aufbau und vereint Strukturmerkmale der bekannten Molybdän-, Vanadium- und Eisen-Nitrogenasen. Diese Kombination stützt die Hypothese, dass frühe Nitrogenasen archaealen Formen ähnlicher gewesen sein könnten als vielen heute untersuchten bakteriellen Enzymen.