14.08.11 Struktur einer N2O-Reduktase aufgeklärt
Wie das Treibhausgas N2O abgebaut wird
Forscher haben die Struktur eines Lachgas-abbauenden Enzyms aufgeklärt
Lachgas (N2O) ist ein schädliches Klimagas. Es wirkt als Treibhausgas 300-mal stärker als Kohlendioxid und zerstört die Ozonschicht. In der industriellen Landwirtschaft entsteht es auf überdüngten Feldern, wenn Mikroorganismen Nitrat-Dünger zersetzen. Der Abbau von Lachgas läuft oft unvollständig ab und hängt stark von den Umweltbedingungen ab. Forscher aus Freiburg, Konstanz und Karlsruhe KIT haben nun die Struktur und den Mechanismus eines Lachgas-abbauenden Enzyms aufgeklärt.
Abb. 1: Das Enzym N2O-Reduktase besitzt vier reaktive
Zentren, die für den Abbau von Lachgas in elementaren Stickstoff wichtig sind.
Quelle: BIOSS, Uni Freiburg
In der aktuellen Studie konnte gezeigt werden, dass das Enzym N2O-Reduktase
aktive Zentren besitzt, welche aus vier Kupferatomen und zwei Schwefelatomen
gebildet wird. „Die überraschende Erkenntnis war, dass die Mikrobiologen
weltweit bislang von der falschen Struktur ausgegangen waren“, erklärt Professor
Oliver Einsle, Gruppenleiter am Institut für Organische Chemie und Biochemie der
Universität Freiburg. Bislang war man von nur einem Schwefelatom ausgegangen und
konnte den Mechanismus des Lachgasabbaus nicht vollkommen aufklären. Die neuen
Daten erlauben es, den Reaktionsablauf des Enzyms besser zu modellieren.
Kommenden Untersuchungen sollen weitere Details liefern und helfen zu verstehen,
welchen Einfluss die Umweltbedingungen auf den Prozess haben.
„Entscheidend war es, dass wir bei allen Untersuchungsschritten unter Ausschluss
von Luftsauerstoff arbeiten konnten“, betont Walter G. Zumft, Professor im
Ruhestand am Karlsruher Institut für Technologie. Bei Kontakt mit Sauerstoff
reagieren Teile des Enzyms und es verändert seine Struktur. Zusammen mit Dr.
Anja Pomowski von der Universität Freiburg wurden unter einer sauerstofffreien
Schutzatmosphäre die Bakterien kultiviert, die Enzyme in großem Maßstab isoliert
sowie kristallisiert und anschließend eine Strukturanalyse mit Röntgenstrahlen
vorgenommen. Das vierköpfige Autorenteam wurde von Professor Peter Kroneck von
der Universität Konstanz ergänzt.
„Die aktuelle Studie liefert uns einen interessanten komplementären Blick auf
den Stickstoffkreislauf“, sagt Dr. Ralf Kiese vom Institut für Meteorologie und
Klimaforschung des KIT. Die Lachgas- und Stickstoffproduktion auf Äckern, Weiden
und in Wäldern hängt von vielen, oft gegenläufigen Effekten ab. So hat eine
KIT-Studie im vergangenen Jahr gezeigt, dass unter bestimmten Bedingungen mehr
Viehwirtschaft zu weniger Lachgas führen kann. Genauere Erkenntnisse über die
mikrobiellen Vorgänge und ihre Abhängigkeit von den Umweltbedingungen könnten
helfen, den Beitrag des Lachgases fürs Klima besser zu modellieren. Langfristig
wäre es sogar denkbar, das Wissen zu nutzen, um zu vermeiden, dass Lachgas in
die Atmosphäre entweicht; etwa durch Zusatzstoffe in Düngern, die die
Funktionsfähigkeit der N2O-Reduktase erhalten, oder durch optimierte Prozesse in
Klärwerken..
Quelle:
N2O binding at a [4Cu:2S] copper-sulphur cluster in nitrous oxide reductase
A. Pomowski, et. al., Nature 2011. DOI:
10.1038/nature10332
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Struktur einer N2O-Reduktase
aufgeklärt
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2011/aug/n2o-reduktase.shtm)
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