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12.07.2019

Wie ein Turbo-Enzym CO2 bindet

Marburger Max-Planck-Forscher haben entschlüsselt, wieso ein bakterielles Enzym hocheffizient Kohlendioxid aus der Atmosphäre fixieren kann und damit Pflanzen in den Schatten stellt.

Das aktive Zentrum der Carboxylase: Vier Aminosäuren sind für die Effizienz der CO2-Fixierung verantwortlich.
Das aktive Zentrum der Carboxylase: Vier Aminosäuren sind für die Effizienz der CO2-Fixierung verantwortlich.
Quelle: 
Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie/Erb

Nur 0,4% der Atmosphäre bestehen aus Kohlendioxid. Trotzdem genügt das Pflanzen, um mittels Photosynthese den Kohlenstoff zu binden und in andere Moleküle umzusetzen. Um den Klimawandel zu verzögern, würden auch Chemiker gerne das Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernen und als Rohstoff verwenden. Doch bisherige Prozesse, die Kohlendioxid verwerten, benötigen das Gas in einer weit höheren Konzentration. Forscher um Tobias Erb vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg haben jetzt ein Enzym im Detail untersucht, das sehr effizient Kohlendioxid binden kann. Details der Bindungsreaktion berichten die Mikrobiologen im Fachjournal „PNAS“.

Bei einem bakteriellen Enzym abgeschaut

Das wichtigste Enzym der Photosynthese – vielleicht das häufigste Enzym auf der Erde – ist RuBisCO, doch dessen Effizienz bei der CO2-Fixierung beträgt nur etwa 25%, weil es in den anderen Fällen Sauerstoff aus der Atmosphäre bindet. Weit effizienter sind Enzyme der Klasse der Enoyl-CoA-Carboxylasen/Reduktasen (ECR). Die schnellsten bekannten ECR besitzt das Bakterium Kitasatospora setae. Wie dessen Enzyme das schaffen, konnten die Max-Planck-Forscher in umfangreichen Analysen aufklären. „Drei Aminosäuren – Asparagin, Glutamat und Histidin – verankern gemeinsam das Kohlendioxid von zwei Seiten. Eine weitere Aminosäure, ein Phenylalanin, schirmt das gebundene Kohlendioxid wie ein Schutzschild gegen Wasser ab, das die Reaktion hemmen würde“, erläutert Gabriele Stoffel.

Abschirmung gegen Wasser war der Schlüssel

Um mehr Flexibilität bei der Erzeugung einer künstlichen Photosynthese zu haben, wollten die Forscher die Funktion der ECR in zwei andere Enzyme einbauen – die Propionyl-CoA-Synthase (PCS) und die Archaeal-Enoyl-CoA-Reductase (AER). Nach mehreren Optimierungsschritten erreichte das Team schließlich eine Bindungseffizienz von 90% für AER und 95% für PCS. Dazu mussten die Forscher nicht nur die beteiligten Aminosäuren korrekt im Raum ausrichten, sondern außerdem die Abschirmung des Kohlendioxids gegen Wasser hinbekommen. Damit haben die Wissenschaftler eine wichtige Grundlage geschaffen, um CO2 industriell aus der Atmosphäre zu binden und der Wertschöpfungskette zuzuführen.

bl

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