Kristallisations- und Imaging-Einrichtung
Final Report Abstract
Die Arbeiten der Gruppe befassen sich mit der funktionellen Analyse von Membranproteinen und Metalloproteinen. Insbesondere werden cofaktorhaltige Proteine mit Eisen-Schwefel-Zentren, Kupferzentren und Hämgruppen untersucht. Ein wichtiger Fokus der Arbeiten sind die Enzyme, aber auch die Membrantransportproteine des biogeochemischen Kreislaufs von Stickstoff. Hierin werden die unterschiedlichen Modifikationen des Elements Stickstoff über einen Bereich von insgesamt 8 Oxidationsstufen ineinander konvertiert. Obwohl die auftretenden Intermediate wie Nitrat (NO3–), Distickstoff (N2) oder Ammonium (NH4+) scheinbar simple Moleküle sind, ist ihre Umsetzung chemisch oft ausgesprochen anspruchsvoll. Die beteiligten Enzyme sind groß und komplex aufgebaut und ihre hoch entwickelten katalytischen Fähigkeiten sind bis heute nur unvollständig verstanden. Zu den Reaktionen des Stickstoffkreislaufs gehören die Umsetzung des Treibhausgases N2O, sowie die Überführung („Fixierung“) von atmosphärischem N2 in bioverfügbares Ammonium durch das Enzym Nitrogenase. Zudem dienen die meisten Stoffwechselwege innerhalb des Stickstoffkreislaufs der Energiegewinnung durch die Erzeugung einer protonenmotorischen Kraft. Die zugehörigen Enzyme sind daher in und um biologische Membranen organisiert und bilden Elektronentransportketten. Ihre teilweise geladenen Substrate und Produkt können diese Membransysteme nicht überwinden, und benötigen aus diesem Grund dezidierte Membrantransportsysteme, die ebenfalls Gegenstand unserer Arbeiten sind. Das Gas N2O wirkt in der Atmosphäre doppelt schädlich, indem es einerseits mit Ozon reagiert, und andererseits mit der 300-fachen Wirksamkeit von CO2 als Treibhausgas fungiert. Nur ein einziges, bakterielles Enzym, die N2O-Reduktase, kann N2O zu unkritischem N2 reduzieren. Das Enzym ist hochgradig empfindlich gegenüber Sauerstoff, und uns gelang die Charakterisierung der aktiven Form unter striktem Ausschluss von O2. Das Aktivzentrum des Enzyms ist ein vierkerniges Kupferzentrum der Zusammensetzung [4Cu:2S], und in der erstmals kristallisierten, intakten Form des Clusters konnte dann auch die Interaktion mit dem Substrat N2O gezeigt werden, die Rückschlüsse auf den Mechanismus der Aktivierung und Reduktion des inerten Moleküle zuließ. Der anschließende Schritt im Stickstoffkreislauf ist die vollständige Reduktion von N2, katalysiert durch das Zweikomponenten-Enzymsystem Nitrogenase. Die biologische Stickstofffixierung durch Nitrogenase stellt neben dem industriellen Haber-Bosch-Verfahren den einzigen Zugang zu reaktiven Stickstoffspezies für Biosynthesen dar, und das Enzym ist aus diesem Grund seit Jahrzehnten das Objekt intensiver Untersuchungen. Unsere Arbeiten haben dazu beigetragen, ein tieferes Verständnis der Architektur und elektronischen Struktur des aktiven Zentrums der Nitrogenase, des FeMo-Cofaktors zu erreichen. Dieser [Mo:7Fe:9S:C]-Heterometallcluster ist im Detail seiner Funktion bis heute weitgehend unverstanden und ist weiterhin das Objekt intensiver Arbeiten. Unter den Intermediaten des Stickstoffkreislaufs können die Anionen Nitrat und Nitrit (NO2–), sowie das Kation Ammonium biologische Membranen nicht passiv durchdringen. Für sie existieren spezifische Transportsysteme, die ebenfalls Gegenstand unserer Arbeiten sind. Ammonium-Transporter sind sekundäre aktive oder passive Transporter, die in allen Organismenreichen vorkommen und strukturell hoch konserviert sind. Unter den bakteriellen Transportproteinen für Nitrit findet sich der Nitritkanal NirC, ein Homopentamer mit starken Homologien zum Formiatkanal FocA, der allerdings in vielen Bakterienarten einen pH-abhängigen Schließmechanismus besitzt.
Publications
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