12.07.2019 - Max-Planck-Institute für terrestrische Mikrobiologie

Im aktiven Zentrum der Kohlendioxid-Fixierung

Forscher entschlüsseln, warum manche Enzyme Kohlendioxid effizienter umwandeln können

Um die Klimakrise zu bewältigen, muss der Mensch einerseits dringend Kohlendioxid-Emissionen reduzieren. Gleichzeitig müssen neue Wege gefunden werden, der Atmosphäre aktiv Kohlendioxid zu entziehen. Letzteres ist Ziel der Forscher um Tobias Erb vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg. Ihre Ansätze sollen langfristig nicht nur dem Klimaschutz, sondern auch der Nachhaltigkeit zugutekommen: Kohlendioxid raus aus der Luft, rein in den Wertstoffzyklus.

Raus aus der Luft - die Natur kann das, denn sie wandelt Kohlendioxid seit jeher mittels Fotosynthese in Biomasse um. Anders als industrielle Anlagen, welche Kohlendioxid-Gas nur in hochkonzentrierter Form umsetzen können, was wiederum fossile Energie verbraucht, arbeitet die Fotosynthese direkt mit der Umgebungsluft, die das Kohlendioxid nur zu einem Anteil von 0,04 Prozent enthält.

Ihr Geheimnis steckt in den Enzymen. Diese Proteine steuern als Biokatalysatoren gezielte chemische Reaktionen, wie zum Beispiel das Enzym RubisCO, mit dem die Fixierung von Kohlendioxid in der Fotosynthese betrieben wird. Allerdings ist die Effizienz der natürlichen Fotosynthese nicht hoch: Der Sauerstoff in der Luft ist bei dieser Reaktion ein starker Konkurrent des Kohlendioxid. Bei der RubisCO kommt er in mehr als einem Viertel der Fälle zum Zuge, was die natürliche Fotosyntheseleistung einschränkt.

ECR-Enzyme: schneller und präziser als RubisCo

Die Forscher um Tobias Erb haben sich daher auf Alternativen zur RubisCO verlegt. Denn die gibt es durchaus: Enzyme aus der Klasse der Enoyl-CoA Carboxylasen/Reduktasen (ECR) arbeiten um mehrere Größenordnungen schneller als die RubisCO und machen keinen Fehler mit Sauerstoff. Um der Natur diese Fähigkeit abzuschauen, braucht es langen Atem und viel Akribie. Die Max-Planck-Forscher haben nun einen Prozess im Reagenzglas entwickelt, der Kohlendioxid besser umwandelt als die in der Natur vorkommenden Wege der Fotosynthese. Höchste Robustheit und Energieeffizienz sind dabei die Eigenschaften, die das Team seiner künstlichen Fotosynthese verleihen möchte. Die Natur selbst dient als molekularbiologischer Lehrmeister.

Doch woran liegt die hohe Effizienz der ECRs? Was sind die Schrauben, an denen man drehen muss, um einen Turbo-CO2-Fixierer zu entwickeln? Dieser Frage gingen die Max-Planck-Nachwuchsforscher Gabriele Stoffel und Iria Bernhardsgrütter gemeinsam mit Kollegen aus Chile und den USA nach. Sie analysierten die die ECR aus dem Bakterium Kitasatospora setae, die derzeit schnellste bekannte Carboxylase. In einem kombinierten Ansatz aus Strukturbiologie, Biochemie und Computersimulationen konnten sie zum ersten Mal verstehen, wie das Enzym Kohlendioxid bindet und umwandelt.

Teamwork im aktiven Zentrum

„Wir waren erstaunt zu sehen, dass vier Aminosäuren ausreichen, um dem Protein höchstmögliche Kontrolle über das Kohlendioxid-Molekül zu verleihen“ erklärt Gabriele Stoffel, Postdoktorand im Labor von Tobias Erb und Erstautor der Studie. „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“, so Stoffel weiter.

Diese Erkenntnisse erschließen den Forschern neue Ufer. „Wir wollten die Fähigkeit auf andere Enzyme übertragen, Kohlendioxid zu binden. Damit hätten wir für die Optimierung der künstlichen Fotosynthese einen viel größeren Spielraum“, so Iria Bernhardsgrütter, Doktorandin der Arbeitsgruppe. Bernhardsgrütter konzentrierte sich in einer weiteren Studie gleich auf zwei Kandidaten für das Protein-Gerüst: Propionyl-CoA Synthase (PCS) und Archaeal Enoyl-CoA reductase (AER).

Erhöhung der CO2-Fixierungskapazität

Beide Enzyme konnten bereits etwas Kohlendioxid verwenden, allerdings nur mit einer Effizienz von unter fünf Prozent und mit angereichertem Kohlendioxid. Wie computerunterstützte Modellierungen zeigten, besaßen die Enzyme im aktiven Zentrum nur einige der vier erforderlichen Aminosäuren, die teilweise auch nicht richtig ausgerichtet waren.

Iria Bernhardsgrütter gelang es mit Aminosäure-Austauschen, die Fehlorientierung in der PCS zu korrigieren. Prompt stieg die Effizienz der Kohlendioxid-Umwandlung auf 20 Prozent. Es fehlte aber der zweite Aspekt, das Abschirmen des Kohlendioxid gegen Wasser. Auch das konnte die Forscherin lösen: Der Austausch einer weiteren Aminosäure versperrte dem Wasser den Zugang zur Bindungsstelle. Die Kombination beider Veränderungen führte unter optimalen Bedingungen zu einer Effizienz von fast 95 Prozent. Ähnliche Versuche in der AER steigerten die Kohlendioxid-Umwandlungseffizienz des Enzyms auf ebenfalls fast 90 Prozent.

Mit dem Wissen über die genauen Erfordernisse der Kohlendioxid-fixierenden Enzyme und der Möglichkeit, dieses erfolgreich anzuwenden, sind die Forscher ihren hohen Zielen einen entscheidenden Schritt nähergekommen: einerseits das Kohlendioxid effizient aus der Atmosphäre filtern zu können, andererseits diesen Zyklus in eine nachhaltige Nutzung von Kohlendioxid einzubinden – Wertstofferhalt nach dem Vorbild der Natur.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Enzyme
  • künstliche Photosynthese
Mehr über Max-Planck-Institute für terrestrische Mikrobiologie
  • News

    Aus klimaschädlichem Kohlenstoffdioxid werden nützliche Chemikalien

    Aus Kohlenstoffdioxid wichtige Ausgangsmaterialien für Feinchemikalien machen – das funktioniert tatsächlich: Einem Forscherteam des Fraunhofer IGB ist es im Max-Planck-Kooperationsprojekt eBioCO2n erstmals gelungen, CO2 in einer auf dem Transfer von Elektronen basierenden Enzymkaskade zu f ... mehr

    Umweltfreundliche Produktion von Mandelsäure

    Manchmal sind potenziell nützliche Enzyme nicht leicht zu erkennen, weil manche ihrer enzymatischen Fähigkeiten außerhalb des natürlichen und damit bekannten Wirkbereiches liegen. Eine solche Entdeckung machte ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie unter d ... mehr

    Fotosynthese im Tropfen

    Pflanzen können es bereits seit Jahrmillionen: Kohlendioxid aus der Luft mithilfe von Sonnenenergie nutzbar machen. Künstliche Zellen als nachhaltige und umweltschonende Bioreaktoren zu bauen, dieser Herausforderung ist das Max-Planck-Forschungsnetzwerk MaxSynBio auf der Spur. Ein Max-Planc ... mehr

Mehr über Max-Planck-Gesellschaft
  • News

    Mit Physik mehr Bier im Glas

    Ist Schaum in der Badewanne oder auf dem Bier durchaus gewünscht, ist die Vermeidung von Schaum – beispielsweise in industriellen Prozessen – ein viel diskutiertes Thema. Oftmals werden Flüssigkeiten Öle oder Teilchen hinzugefügt, um Schaumbildung zu verhindern. Wenn diese gesundheits- oder ... mehr

    Quantensprung im Film

    Um schnelle chemische Reaktionen besser zu verstehen und möglicherweise auch zu kontrollieren, muss man das Verhalten der Elektronen möglichst genau studieren – und zwar in Raum und Zeit. Bislang liefern Mikroskopieverfahren aber nur entweder räumlich oder zeitlich scharfe Bilder. Mit einer ... mehr

    Neues Max-Planck-Institut in Göttingen verbindet Natur- und Medizinwissenschaften

    Die Göttinger Max-Planck-Institute (MPI) für biophysikalische Chemie und für Experimentelle Medizin haben zum 1. Januar 2022 fusioniert. So entsteht ein neues MPI, das Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften. Es wird ein deutlich breiteres Forschungsspektrum abdecken u ... mehr

  • Videos

    Katalysatoren - Multitalent Katalysator

    Kaum ein Prozess in der chemischen Industrie läuft ohne Katalysatoren. Sie beschleunigen chemische Reaktionen und helfen so, Energie zu sparen und unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden. Viele Reaktionen werden durch Katalysatoren aber auch praktisch erst möglich. mehr

    STED - Lichtblicke in die Nanowelt

    Details die enger als 200 Nanometer beieinander liegen, können mit optischen Mikroskopen nicht mehr unterschieden werden – das entspricht in etwa dem Zweihunderdstel einer Haaresbreite. Grund dafür ist die Wellennatur des Lichts, dessen halbe Wellenlänge in etwa diesen 200 Nanometern entspr ... mehr

    Tuning für Brennstoffzelle

    Die Brennstoffzelle kann klimaschonenden Strom erzeugen, vor allem wenn sie mit Wasserstoff aus regenerativen Quellen wie etwa aus Biomasse betrieben wird. Damit sie aber auch mit Brennstoff aus Holzabfällen oder Stroh optimal arbeitet, benötigt sie eine ausgeklügelte Steuerung. mehr

  • White Paper

    Die Keimzelle der Biobatterie

    Um überschüssigen Strom von Windkraft- und Solaranlagen aufzuheben sind leistungsfähige Batterien und Kondensatoren aus nachhaltigen Materialien gefragt. mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

    Max-Planck-Institute betreiben Grundlagenforschung in den Natur-, Bio-, Geistes- und Sozialwissenschaften im Dienste der Allgemeinheit. Die Max-Planck-Gesellschaft greift insbesondere neue, besonders innovative Forschungsrichtungen auf, die an den Universitäten in Deutschland noch keinen od ... mehr