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Die Landwirtschaft muss sich an die Herausforderungen des Klimawandels anpassen, um die Ernährung mit wichtigen Nahrungspflanzen wie Getreide auch in Zukunft zu sichern. Agnieszka Golicz von der Justus-Liebig-Universität Gießen ist überzeugt, dass die Bioinformatik dazu einen entscheidenden Beitrag leisten kann. Denn die Fähigkeit von Nutzpflanzen, sich an den Klimawandel anzupassen, sei bereits in ihrem Genom verankert, sagt die Molekulargenetikerin. In ihrer Forschung nutzt sie daher Methoden der Bioinformatik, um die Genomdaten zu analysieren. Anhand dieser Genomsequenzdaten erforscht Golicz, wie das Pflanzengenom organisiert ist und wie sich dies auf die Genexpression und die Eigenschaften der Pflanze auswirkt. Im Rahmen einer LOEWE-Start-Professur leitet sie seit Oktober eine Nachwuchsgruppe, die in den kommenden Jahren mit Hilfe von Big Data verschiedenste Variationen im Genom von Nutzpflanzen und deren Auswirkungen auf wichtige Merkmale wie Stresstoleranz oder Krankheitsresistenz genauer untersuchen wird.

Agriculture must adapt to the challenges of climate change in order to secure the supply of important food crops such as cereals in the future. Agnieszka Golicz from Justus Liebig University Giessen is convinced that bioinformatics can provide a crucial contribution. After all, the ability of crops to adapt to climate change is already anchored in their genome, says the molecular geneticist. In her research, she uses bioinformatics methods to analyze genome sequences. Using this data, Golicz is investigating how the plant genome is organized and how this affects gene expression and the characteristics of the plant. As part of a LOEWE start-up professorship, she has been leading a junior research group since October, which will use big data to investigate a wide range of variations in the genome of crop plants and their effects on important traits such as stress tolerance or disease resistance over the coming years.

Weichmacher sind in vielen Kunststoffen enthalten und basieren auf Erdöl. Die bisher besonders häufig verwendeten Phthalate stehen jedoch nicht nur wegen ihrer umweltschädigenden Wirkung in der Kritik. Die giftigen Stoffe gefährden auch die Gesundheit. Im Projekt Biocerine wollen Forschende des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) gemeinsam mit Industriepartnern einen biobasierten Weichmacher auf Basis von Rapsöl entwickeln und damit die Grundlage für eine nachhaltige Produktion von Reifen und Verpackungen schaffen. Das Projekt wird im Rahmen des Programms „WIR! – Wandel durch Innovation in der Region“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Glycerin-Derivate aus Rapsöl gewinnen

Im Mittelpunkt des Projekts stehen großtechnisch aus Rapsöl gewonnene biobasierte Glycerin-Derivate, die speziell auf die Anforderungen verschiedener Polymermaterialien abgestimmt sind und ohne Modifikationen in bestehenden Verarbeitungsmaschinen eingesetzt werden können. „Konkret wollen wir Alkohole aus diesem biobasierten Glycerin erzeugen, die dann mit speziellen Fettsäuren verestert werden. Im zweiten Schritt der Synthese werden deren Doppelbindungen epoxidiert“, sagt Patrick Hirsch, Gruppenleiter „Nachhaltige Werkstoffe und Prozesse“, der das Projekt am Fraunhofer IMWS leitet.

Einbindung in thermoplastische und elastomere Biopolymere

Wichtig ist den Projektpartnern vor allem, dass sich der neuartige Weichmacher besser in thermoplastische und elastomere Biopolymere einbauen lässt, um die Verarbeitung zu verbessern und die positiven Eigenschaften des Materials langfristig zu erhalten. Die thermoplastischen und elastomeren Biopolymere sollen künftig bei der Herstellung von Folien, Verpackungen oder Reifenmischungen zum Einsatz kommen. „Wenn das gelingt, haben wir einen sehr attraktiven Weichmacher, der viele derzeitige Lösungen ersetzen kann. Und wir schaffen in Mitteldeutschland regionale Wertschöpfungsketten vom pflanzlichen Rohstoff bis zum fertigen Biokunststoffbauteil“, sagt Hirsch.

Bis es soweit ist, müssen die Forschenden noch einige Herausforderungen meistern. Diese reichen von der Wahl des Alkohols für die Modellrezepturen über die Zusammensetzung der Fettsäuren bis hin zur Modifizierung der Doppelbindungen der Fettsäuren. „Im Kern müssen wir erreichen, dass die neuartigen Weichmacher flexibel bleiben, aber ihre Migration einschränken, damit sie nicht Umwelt oder Gesundheit beeinträchtigen. Zudem müssen sie ideal mit den von uns gewählten Biopolymeren wechselwirken. Nicht zuletzt ist die wirtschaftliche Umsetzung sehr herausfordernd“, sagt Hirsch.

Konzept für Pilotanlage in Mitteldeutschland

Im Projekt werden sich die Fraunhofer-Forschenden insbesondere mit der Eigenschaftsmodifizierung von thermoplastischen Biopolymeren beschäftigen, die für Extrusionsanwendungen wie Folien oder Spritzgussanwendungen wie Verpackungen in Frage kommen. Projektpartner wie die GLACONCHEMIE GmbH und die Polymer Service GmbH aus Merseburg werden entsprechende Produktmuster testen. In der Anlage von GLACONCHEMIE in Merseburg sollen die neuartigen Weichmacher hergestellt werden. Darüber hinaus plant das Konsortium das Upscaling in den Technikumsmaßstab zur Herstellung größerer Mengen der neuartigen Kunststoffe sowie die Erstellung eines Konzeptes für den Bau einer Pilotanlage in Mitteldeutschland.

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Pflanzen besitzen die Fähigkeit, durch Photosynthese Kohlendioxid aus der Luft zu binden. Gleiches gilt für Algen und Bakterien, die durch die photosynthetische CO₂-Fixierung, den so genannten Calvin-Zyklus, jährlich rund 70 Gigatonnen Kohlenstoff binden und damit der Atmosphäre entziehen. Die Stoffwechselwege der Mikroorganismen, die diese beeindruckende Leistung vollbringen, stehen im Mittelpunkt der Forschung von Tobias Erb. Der Marburger Mikrobiologe widmet sich vor allem den Prozessen, die an der Umwandlung des Treibhausgases Kohlendioxid beteiligt sind, und gestaltet sie neu.  

Neue Wege zur Kohlenstoff-Fixierung

Für diese „bahnbrechende Arbeit“ auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie wird der Forscher nun mit dem Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geehrt. Die Auszeichnung ist mit 2,5 Mio. Euro dotiert. In der Begründung heißt es: Erb suche nach neuen CO₂-bindenden Enzymen, um sie zur Kohlenstoff-Fixierung einzusetzen. „Auf diese Weise will er mit seiner Arbeitsgruppe künstliche Fixierungswege entwerfen, die natürlichen Wegen überlegen sind. Erb gelang es beispielsweise schon jetzt, bestimmte Enzyme in Pflanzen einzubringen und damit einen CO₂-Konzentrierungsmechanismus zu etablieren, der zu einer signifikanten Steigerung der Photosynthese führte“, würdigt die DFG.

Stoffwechselwege analysieren und nachbauen

Um die CO₂-Fixierung zu verbessern, analysiert Tobias Erb natürliche Stoffwechselprozesse und nutzt sie gezielt, um neue Enzymfunktionen zu generieren. An der Schnittstelle zwischen Molekularbiologie, Biochemie und Synthetischer Biologie untersucht er die Struktur und Funktion mikrobieller Biokatalysatoren, verändert ihre Eigenschaften mit Methoden der Synthetischen Biologie und konstruiert Stoffwechselwege, die in der Natur nicht vorkommen.

„Tobias Erbs Arbeit zeigt beispielhaft, was neuartige wissenschaftliche Ansätze zur Klärung von Zukunftsfragen der Menschheit beitragen können“, sagt der Marburger Universitätspräsident Thomas Nauss. „Indem Erb den CO₂-Stoffwechsel von Mikroorganismen im Detail untersucht, nachbaut und abwandelt, legt er mit seiner wissenschaftlichen Arbeit das Fundament, um den Kreislauf klimaschädlicher Treibhausgase zu verstehen.“ Seine Arbeiten würden „weitreichende Möglichkeiten zur Entwicklung nachhaltiger Verfahren in der Biotechnologie sowie dem Einfangen von CO₂ aus der Atmosphäre“ eröffnen.

Hochdekorierter Bioingenieur

Für seine Forschungsarbeiten wurde Tobias Erb bereits mehrfach ausgezeichnet, unter anderem 2016 mit dem Heinz-Maier-Leibnitz-Nachwuchspreis der DFG, 2019 mit dem Otto-Bayer-Preis, 2021 mit dem Jean-Marie-Lehn-Forcheurs-Prize und 2022 mit dem Merck Future Insight Prize.

Der Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis wird seit 1986 von der DFG vergeben. Die diesjährigen zehn Preisträgerinnen und Preisträger wurden aus 150 Vorschlägen ausgewählt und kommen aus den Geistes-, Sozial-, Lebens-, Natur- und Ingenieurwissenschaften. Das Preisgeld in Höhe von jeweils 2,5 Millionen Euro können die Forschenden bis zu sieben Jahre nach ihren eigenen Vorstellungen einsetzen. Die Leibniz-Preise werden am 13. März 2024 in der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften in Berlin verliehen.

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Plants have the ability to bind carbon dioxide from the air through photosynthesis. The same applies to algae and bacteria, which bind around 70 gigatons of carbon per year through photosynthetic CO₂ fixation, the so-called Calvin cycle, and thus remove it from the atmosphere. The metabolic pathways of the microorganisms that achieve this impressive feat are the focus of Tobias Erb's research. The Marburg microbiologist is primarily dedicated to the processes involved in the conversion of the greenhouse gas carbon dioxide and is redesigning them.

New ways to bind carbon

For this "groundbreaking work" in the field of synthetic biology, the researcher has now been honored with the Leibniz Prize of the German Research Foundation (DFG). The award is endowed with 2.5 million euros. The citation states: Erb is looking for new CO₂-binding enzymes to use for carbon fixation. "In this way, he and his research group want to develop artificial fixation pathways that are superior to natural pathways. Erb has already succeeded, for example, in introducing certain enzymes into plants and thus establishing a CO₂ concentration mechanism that has led to a significant increase in photosynthesis," the DFG acknowledges.

Analyzing and reconstructing metabolic pathways

In order to improve CO₂ fixation, Tobias Erb analyzes natural metabolic processes and uses them specifically to generate new enzyme functions. At the interface between molecular biology, biochemistry and synthetic biology, he investigates the structure and function of microbial biocatalysts, modifies their properties using synthetic biology methods and constructs metabolic pathways that do not occur in nature.

"Tobias Erb's work is an example of what novel scientific approaches can contribute to answering questions about the future of humanity," says Marburg University President Thomas Nauss. "By studying the CO₂ metabolism of microorganisms in detail, recreating and modifying it, Erb's scientific work lays the foundation for understanding the cycle of climate-damaging greenhouse gases." His work would open up "far-reaching possibilities for the development of sustainable processes in biotechnology and the capture of CO₂ from the atmosphere".

Highly distinguished bioengineer

Tobias Erb has already received several awards for his research work, including the DFG's Heinz Maier-Leibnitz Prize for Young Researchers in 2016, the Otto Bayer Prize in 2019, the Jean-Marie Lehn Forcheurs Prize in 2021 and the Merck Future Insight Prize in 2022.

The Gottfried Wilhelm Leibniz Prize has been awarded by the DFG since 1986. This year's ten prizewinners were selected from 150 proposals and come from the humanities, social sciences, life sciences, natural sciences and engineering. The prize money of 2.5 million euros each can be used by the researchers for up to seven years according to their own ideas. The Leibniz Prizes will be awarded on March 13, 2024 at the Berlin-Brandenburg Academy of Sciences and Humanities in Berlin.

bb

Noch ist der Anteil biobasierter Kunststoffe am Weltmarkt mit knapp einem Prozent sehr gering. Doch die globale Kunststoffindustrie befindet sich im Wandel, nachwachsende Roh- und Reststoffe rücken immer mehr in den Fokus. Im Projekt Bio-Polyole haben Forschende der Universität Bielefeld nun gemeinsam mit einem Industriepartner ein Verfahren entwickelt, um die wichtige Kunststoffgruppe der Polyurethane aus heimischen Pflanzenölen herzustellen und für Hochleistungsverbundwerkstoffe nutzbar zu machen. Das Vorhaben wurde in der Sondierungsphase im Rahmen des Ideenwettbewerbes „Neue Produkte für die Bioökonomie“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) von Oktober 2020 bis März 2022 mit 78.000 Euro gefördert.

Biobasierte Kunststoffbausteine für Bodenbelege

Polyurethan (PUR) ist ein weicher Kunststoff, der in der Regel aus fossilen Bausteinen besteht. Diese werden in Verbindung mit Feuchtigkeit aufgeschäumt und vielseitig eingesetzt, zum Beispiel in Schuhsohlen, Klebstoffen, aber auch Autositzen und Fußböden. Im Projekt wurde der Einsatz der biobasierten Kunststoffbausteine für Bodenbelege anvisiert. Dafür arbeiteten die Forschenden mit der Windmöller GmbH aus Detmold zusammen.

High oleic sunflower oil als Ausgangsbasis

Um diese wichtigen PUR-Kunststoffe aus heimischen Pflanzenölen herstellen zu können, musste das Bielefelder Team um Projektleiter Harald Gröger zunächst ein geeignetes Pflanzenöl finden. Die Wahl fiel auf High oleic sunflower oil – ein Sonnenblumenöl mit einem hohen Anteil an ungesättigten Fettsäuren. „Diese ungesättigten Fettsäuren haben mindestens eine Kohlenstoff-Doppelbindung, die sich chemisch sehr effizient funktionalisieren lässt“, erklärt Gröger.

Damit die aus dem Pflanzenöl hergestellten Bausteine auch für die gewünschten Polymeranwendungen geeignet sind, mussten diese zunächst so funktionalisiert werden, dass diese Einzelmodule jeweils an den Enden der Verbindungen koppelbar sind.  Bei solchen Modulen handelt es sich um Moleküle, sogenannte Monomere, die in der Lage sind, durch chemische Reaktionen Polymere zu bilden. „Die heimischen Pflanzenöle können normalerweise nicht als Grundbausteine für die Monomere genutzt werden, weil dort eine funktionalisierbare Gruppe fehlt“, erläutert der Experte für organische Chemie und Biotechnologie. Für die nötige Klickreaktion zum Aufbau der PUR-Polymere mussten Gröger zufolge erst die benötigten funktionellen Gruppen zum Aufbau der Urethan-Gruppe in den PUR-Polymeren eingebaut werden.

At just under one percent, the share of bio-based plastics on the global market is still very low. However, the global plastics industry is changing. Renewable raw and residual materials are increasingly coming into focus. In the Bio-Polyols project, researchers at Bielefeld University, together with an industrial partner, have now developed a process to produce the important plastic group of polyurethanes from domestic vegetable oils and make them usable for high-performance composites. The project received 78,000 euros in funding from the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) from October 2020 to March 2022 during the exploratory phase as part of the "New Products for the Bioeconomy" ideas competition.

Bio-based plastic building blocks for floor coverings

Polyurethane (PUR) is a soft plastic that usually consists of fossil building blocks. These are foamed in combination with moisture and used in a variety of ways, for example in shoe soles, adhesives, but also car seats and flooring. The project focused on the use of bio-based plastic building blocks for floor coverings. To this end, the researchers worked together with Windmöller GmbH from Detmold.

Starting point: high oleic sunflower oil

In order to be able to produce these important PUR plastics from domestic vegetable oils, the Bielefeld team led by project manager Harald Gröger first had to find a suitable vegetable oil. The choice fell on high oleic sunflower oil, which has a high proportion of unsaturated fatty acids. "These unsaturated fatty acids have at least one carbon double bond, which can be chemically functionalized very efficiently," explains Gröger.

For the building blocks produced from the vegetable oil to be suitable for the desired polymer applications, they first had to be functionalized so that these individual modules can be coupled at the ends of the compounds.  These modules are molecules, so-called monomers, which are able to form polymers through chemical reactions. "Domestic vegetable oils cannot normally be used as basic building blocks for monomers because they lack a functionalizable group," explains the expert in organic chemistry and biotechnology. According to Gröger, the functional groups required to form the urethane group in the PUR polymers first had to be incorporated for the click reaction needed to build the PUR polymers.

Ob im Boden, im Wasser oder in der Luft: Mikroplastikpartikel sind mittlerweile überall zu finden. Selbst in den entlegensten Regionen der Erde, in der Arktis, wurden Forschende fündig. Ein Großteil dieser Partikel gelangt durch den Reifenabrieb beim Autofahren in die Umwelt. Aber auch beim Ski-, Snowboard- oder Wasserskifahren werden durch das Gleiten auf Schnee oder Wasser nachweislich winzige Plastikpartikel abgerieben. Ein Team um Natascha Kuhl von der Hochschule Hof will das ändern.

Nachhaltige Gleitflächen für Ski-und Wassersport

„Wir möchten die derzeitige Umweltverschmutzung durch sichtbaren Plastikabrieb, aber vor allem auch durch unsichtbares Mikroplastik eindämmen. Biologisch abbaubare Kunststoffe können dabei helfen, da der Plastikabrieb selbst nicht zu verhindern ist“, sagt die Forscherin. Im Rahmen des zweieinhalbjährigen Projekts „BioSlide“ wollen die Forschenden zu 100 % nachhaltige Gleitflächen für den Ski-, Snowboard- und Wassersportbereich entwickeln.

Hohe Ansprüche an nachhaltige Materialrezeptur

Die Gleitflächen von Skiern oder Snowboards bestehen häufig aus ultrahochmolekularem Polyethylen, einem Kunststoff aus fossilen Rohstoffen, der extrem langlebig ist und wegen seiner hervorragenden Gleiteigenschaften geschätzt wird. „Die nachhaltige Gleitfläche soll vergleichbare Eigenschaften zu den bisher genutzten konventionellen Materialien aufweisen und einem Nutzungszeitraum von mindestens acht Jahren standhalten“, so Kuhl. „Die Herausforderung liegt daher in der nachhaltigen Materialrezeptur, die einerseits während der Nutzung eine gewisse Langzeitstabilität erfüllen muss und andererseits im Falle des Abriebs vollständig biologisch abbaubar sein muss.“

Polymer-Compound muss bei Abrieb biologisch abbaubar sein

In dem seit Januar dieses Jahres laufenden Projekt haben sich die Forschenden zunächst mit der Entwicklung und Verarbeitung eines widerstandsfähigen, gleitfähigen Polymer-Compounds inklusive biologisch abbaubarer und biogener Additive beschäftigt. Im kommenden Jahr wird sich das Team der Optimierung der biologischen Abbaubarkeit sowie der Verbesserung des Verarbeitungsprozesses des neu entwickelten Compounds für die Ski- und Snowboardproduktion widmen. „Entsprechende Muster werden von uns immer wieder auf ihre Eigenschaften hin überprüft, um die ideale Zusammensetzung mit den besten Eigenschaften zu finden“, erläutert Kuhl.  Läuft alles nach Plan, könnten bereits 2025 die ersten Skier mit biobasierten Gleitflächen auf der Piste getestet werden und die Vorbereitungen für die industrielle Produktion beginnen.

Das Projekt „BioSlide“ wird im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) gefördert. Am Projekt beteiligt sind auch der Kunststoffproduzent Creative Plastic Solutions (CPS) GmbH sowie der Chemnitzer Snowboardhersteller silbaerg GmbH.

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Schätzungsweise 80 % aller Pflanzen leben in Symbiose mit sogenannten Mykorrhizapilzen, die sich an den Wurzeln der Pflanzen ansiedeln. Diese unterirdische Lebensgemeinschaft hat sich über Jahrmillionen bewährt, da sie sowohl für die Pflanze als auch für den Pilz äußerst vorteilhaft ist. Damit die Symbiose zustande kommt, besiedeln die Pilze die Wurzel und bilden in den Wurzelzellen kleine bäumchenartige Strukturen – die Arbuskeln. Über das Feinwurzelsystem im Boden, die sogenannten Hyphen, gelangen dann wichtige Nährstoffe wie Phosphat und Stickstoff in die Pflanze. Im Gegenzug erhält der Pilz von seinem Wirt Kohlenhydrate und Lipide, die dieser aus der Photosynthese gewinnt.

EU fördert Forschung zu Pflanze-Pilz-Interaktion

In der Evolution hat sich die Beziehung zwischen Pflanzen und ihren Pilzpartnern in der arbuskulären Mykorrhiza zu einer der intensivsten Interaktionen zwischen Lebewesen überhaupt entwickelt. Wie dieses Zusammenspiel von Pflanze und Pilz genau funktioniert, erforscht Caroline Gutjahr seit vielen Jahren. In unserer Porträtreihe Die Biopioniere haben wir die Biologin und ihr Forschungsfeld kürzlich genauer vorgestellt.

Für ihre weitere Symbioseforschung erhält die Direktorin am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm nun den begehrten Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrates (ERC). Damit werden Spitzenforschende für fünf Jahre lang mit bis zu 2 Mio. Euro unterstützt.

Nährstofftransport und Umweltbedingungen im Fokus

Im Rahmen des Projekts „SymbioticExchange“ wird die Forscherin das enge Zusammenleben und vor allem den Nährstoffaustausch von Pflanzen und Wurzelpilzen im Boden genauer untersuchen. Sie will klären, wie Fette, Zucker und Mineralien von einem Organismus zum anderen transportiert werden, welche Gene und Proteine von Pflanzen und Pilzen dem Nährstofftransport und welche der Wahrnehmung des Partners dienen und wie dies in Abhängigkeit von Umweltbedingungen, insbesondere der Nährstoffverfügbarkeit in Boden, gesteuert werden kann.

An estimated 80 % of all plants live in symbiosis with so-called mycorrhizal fungi, which colonize the roots of plants. This subterranean symbiosis has proven itself over millions of years as it is extremely beneficial for both the plant and the fungus. In order for the symbiosis to come about, the fungi colonize the root and form small tree-like structures in the root cells - the arbuscules. Important nutrients such as phosphate and nitrogen then reach the plant via the fine root system in the soil, the so-called hyphae. In return, the fungus receives carbohydrates and lipids from its host, which the latter obtains from photosynthesis.

EU funds research into plant-fungus interaction

In the course of evolution, the relationship between plants and their fungal partners in arbuscular mycorrhiza has developed into one of the most intensive interactions between living organisms. Caroline Gutjahr has been researching for many years exactly how this interaction between plant and fungus works. We recently introduced the biologist and her field of research in more detail in our portrait series The Biopioneers (only available in German).

The Director at the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology in Potsdam-Golm has now been awarded the coveted Consolidator Grant from the European Research Council (ERC) for her further symbiosis research. This provides top researchers with up to 2 million euros in funding for five years.

Focus on nutrient transport and environmental conditions

As part of the "SymbioticExchange" project, the researcher will investigate the close coexistence and, in particular, the exchange of nutrients between plants and root fungi in the soil in more detail. She wants to clarify how fats, sugars and minerals are transported from one organism to the other, which genes and proteins of plants and fungi serve to transport nutrients and which serve to perceive the partner and how this can be controlled depending on environmental conditions, in particular the availability of nutrients in the soil.

Stickstoff ist ein wichtiger Nährstoff für alle Lebewesen. Unsere Atmosphäre ist voll davon, doch die einzigen Lebewesen, die diesen Stickstoff direkt binden und nutzen können, sind einige Mikroorganismen. Sie verwenden dazu bestimmte Enzmye, sogenannte Nitrogenasen. Forschende interessieren sich jedoch noch aus einem zweiten Grund für diese Enzyme: Nitrogenasen können Kohlendioxid und Kohlenmonoxid binden und daraus Methan oder Ethylen bilden. Problematische Abfallstoffe werden so zu wertvollen chemischen Ressourcen.

Struktur der Eisen-Nitrogenase aus Purpurbakterium

Wie das Enzym jedoch im Detail funktioniert, war bislang unbekannt. Das zu verstehen, wäre jedoch wichtig, um es weiter zu optimieren und technisch besser nutzen zu können. Ein Team um Johannes Rebelein vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg hat es nun geschafft, die Struktur der Eisen-Nitrogenase zu entschlüsseln. Die Eisen-Nitrogenase kann Kohlendioxid besonders gut verwerten.

Für ihr Experiment nutzten die Forschenden ein Enzym aus dem Purpurbakterium Rhodobacter capsulatus. Die Wissenschaftler analysierten das gereinigte Enzym mittels kryogener Elektronenmikroskopie an der Central Electron Microscopy Facility am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt am Main. Schwerpunkt der Analyse waren mögliche Besonderheiten im aktiven Zentrum des Enzymkomplexes, das die eigentliche Reaktion katalysiert.

Cofaktor enthält als einziges Metall Eisen

Dort zeigte sich, dass der Cofaktor im aktiven Zentrum lediglich Eisen, aber kein anderes Metall enthält – ein eindeutiger Unterschied zu anderen Nitrogenase-Typen. Ansonsten aber war das aktive Zentrum überraschend unauffällig: „Wir hatten erwartet, dass der Hauptunterschied zwischen der Fe-Nitrogenase und anderen Nitrogenase-Formen wie der Molybdän-Nitrogenase in der Architektur des Cofaktors im aktiven Zentrum und seiner unmittelbaren Umgebung liegt“, berichtet Frederik Schmidt, Erstautor der im Fachjournal „Nature Structural & Molecular Biology“ veröffentlichten Studie. „Zu unserer Überraschung stellten wir jedoch fest, dass die aktiven Zentren der drei Nitrogenase-Isoformen, trotz ihrer Unterschiede in den katalytischen Eigenschaften, einander sehr ähnlich sind.“

Besondere Symmetrie und wichtige Untereinheit

Allerdings förderte die Strukturanalyse an anderer Stelle Besonderheiten zu Tage: Nitrogenase ist aus zwei symmetrischen Hälften zusammengesetzt. Die Form der Symmetrie bei der Eisen-Nitrogenase unterscheidet sich jedoch von jener der Molybdän-Nitrogenase. „Die veränderte Symmetrie, die wir in der Fe-Nitrogenase beobachtet haben, könnte ihre besondere Reaktivität erklären“, erläutert Luca Schulz, Mit-Erstautor der Studie.

Eine weitere Erklärung könnte die bereits bekannte G-Untereinheit des Enzymkomplexes liefern. Sie ist eine spezielle Eigenschaft der Eisen-Nitrogenase. Ihre Struktur legt drei mögliche Funktionen nahe: Sie könnte den Elektronentransfer koordinieren, das Substrat kanalisieren und auch den Cofaktor im aktiven Zentrum stabilisieren.

Weitere Aufklärungen, wie die Eisen-Nitrogenase genau funktioniert, sollen dazu beitragen, künftig neue Biokatalysatoren zu entwickeln, die nachhaltig Stickstoff verwerten oder CO₂ nutzen könnten, um Wertstoffe daraus zu erzeugen.

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Nitrogen is an important nutrient for all living things. Our atmosphere is full of it, but the only living organisms that can bind and use this nitrogen directly are some microorganisms. They use certain enzymes called nitrogenases to do this. But researchers are also interested in these enzymes for a second reason: nitrogenases can bind carbon dioxide and carbon monoxide and form methane or ethylene from them. This turns problematic waste materials into valuable chemical resources.

Structure of iron nitrogenase from purple bacteria

How the enzyme works in detail was previously unknown. Understanding this, however, would be important in order to further optimize it and make better technical use of it. A team led by Johannes Rebelein from the Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology in Marburg has now succeeded in deciphering the structure of iron nitrogenase. Iron nitrogenase is particularly good at utilizing carbon dioxide.

For their experiment, the researchers used an enzyme from the purple bacterium Rhodobacter capsulatus. The scientists analyzed the purified enzyme using cryogenic electron microscopy at the Central Electron Microscopy Facility at the Max Planck Institute of Biophysics in Frankfurt am Main. The analysis focused on possible peculiarities in the active center of the enzyme complex, which catalyzes the actual reaction.

Cofactor is the only metal that contains iron

There it was found that the cofactor in the active center only contains iron, but no other metal - a clear difference to other nitrogenase types. Otherwise, however, the active site was surprisingly inconspicuous: "We had expected that the main difference between Fe nitrogenase and other nitrogenase forms such as molybdenum nitrogenase would lie in the architecture of the cofactor in the active site and its immediate surroundings," reports Frederik Schmidt, first author of the study published in the journal "Nature Structural & Molecular Biology". "To our surprise, however, we found that the active sites of the three nitrogenase isoforms are very similar, despite their differences in catalytic properties."

Special symmetry and important subunit

However, the structural analysis revealed special features elsewhere: Nitrogenase is composed of two symmetrical halves. The form of symmetry in iron nitrogenase differs from that of molybdenum nitrogenase, though. "The altered symmetry that we observed in Fe nitrogenase could explain its particular reactivity," explains Luca Schulz, co-first author of the study.

The already known G subunit of the enzyme complex could provide a further explanation. It is a special feature of iron nitrogenase. Its structure suggests three possible functions: it could coordinate electron transfer, channel the substrate and also stabilize the cofactor in the active center.

Further clarification of exactly how iron nitrogenase works should contribute to the future development of new biocatalysts that could sustainably utilize nitrogen or use CO₂ to produce valuable substances.

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