Bakterien gewinnen Stickstoff aus Stickoxid

Max-Planck-Wissenschaftler entschlüsseln wichtigen Stoffwechselweg des Stickstoffkreislaufs

2. Oktober 2011

Die anaerobe Ammoniumoxidation (Anammox) ist ein wichtiger Stoffwechselweg im Stickstoffkreislauf, der erst in den 1980er Jahren entdeckt wurde. Derzeit schätzen die Wissenschaftler, dass etwa 50 Prozent des Stickstoffs in der Atmosphäre durch diesen Prozess gebildet wird. Eine Gruppe spezialisierter Bakterien führt die Anammox-Reaktion aus, aber lange tappten die Forscher im Dunklen, wie diese Bakterien Ammonium zu Stickstoff unter Ausschluss von Sauerstoff umsetzen. Nun, 25 Jahre nach ihrer Entdeckung, haben sie den molekularen Mechanismus von Anammox endlich entschlüsselt.

An anammox culture in a membrane bioreactor. The red colour is due to the heme c group of the protein cytochrome c that plays an important role in the anammox metabolism.

Anammox-Bakterien besitzen für Bakterien untypischerweise ein Organell. An sich kommen Organellen gewöhnlich nur bei Zellen mit Zellkern vorkommen. In diesem speziellen Organell, dem so genannten "Anamoxosom", findet die Anammox-Reaktion statt. Die Membran des Anammoxosoms schützt die Zellen vermutlich vor den hochreaktiven Zwischenprodukten dieser Reaktion. Wissenschaftler vermuten bereits seit längerem, dass Hydrazin und Hydroxylamin diese Zwischenprodukte sein könnten. Bislang konnte jedoch noch niemand nachweisen, dass Hydrazin, ein sehr starkes Reduktionsmittel, das auch als Raketentreibstoff verwendet wird, in biologischen Systemen vorkommt.

Es war ein schwieriges Unterfangen, den Stoffwechselweg experimentell zu untersuchen. Der Projektleiter Marc Strous vom Max-Planck-Institut in Bremen sagt: „Die Anammox-Organismen sind schwierig zu kultivieren, denn sie teilen sich nur alle zwei Wochen. Deshalb mussten wir eine Technik entwickeln, die zur Kultivierung von so langsam wachsenden Mikroorganismen geeignet ist. Selbst nach 20-jährigen Bemühungen können wir die Organismen nur in Bioreaktoren kultivieren, und das auch nicht in Reinkultur.“ Für die Kultivierung der Anammox-Bakterien verwenden die Forscher die neueste Entwicklung auf dem Gebiet der Bioreaktortechnologie: einen Membran-Bioreaktor. In dieser Art Reaktor wachsen die Zellen in einer Suspension anstatt in Oberflächen-Biofilmen, und relativ wenige andere Organismen verunreinigen die Kultur. Dies war für die Aufreinigung von Proteinen günstig, die für den experimentellen Teil notwendig war, denn Proteine lassen sich wegen des Schleims, den die Biofilme bilden, nicht gut aus Biofilmen aufreinigen.

Um das Rätsel um den Anammox-Stoffwechselweg zu lösen, konnten die Forscher auf die Genom-Sequenz des bekanntesten Anammox-Bakteriums, Kuenenia stuttgartiensis, zurückgreifen. Dies half ihnen zu erkennen, welche Enzyme an der Reaktion beteiligt sein könnten. So konnten sie beispielsweise voraussagen, dass möglicherweise Stickoxid anstelle von Hydroxylamin das Vorgängermolekül von Hydrazin ist. Mit einer Reihe weiterer hochmoderner molekularbiologischer Methoden konnten die Wissenschaftler dem Anammox-Stoffwechselweg auf die Spur kommen und die Rolle von Hydrazin und Stickoxid endlich nachweisen.

Schematische Darstellung der Enzyme und Reaktionen während des Elektronentransports an der Membran und innerhalb des Anammoxosoms.

"Wir haben einen großen Schritt getan, den Stickstoffkreislauf besser zu verstehen. Jetzt wissen wir endlich, woraus der Stickstoff in der Luft, die wir atmen, gebildet wird: Raketentreibstoff und Stickoxid“, fasst Marc Strous die Studie zusammen. Die Entdeckung, dass Stickoxid sowohl bei Anammox als auch bei der Denitrifikation eine wichtige Rolle spielt, lässt die Entwicklung des Stickstoffkreislaufs in der Erdgeschichte in einem neuen Licht erscheinen. Marc Strous erklärt: „In der frühen Entwicklung der Erde hat sich Stickoxid durch vulkanische Aktivität in der Atmosphäre angesammelt. Stickoxid war also vermutlich einer der ersten Elektronenakzeptoren auf der Welt und hat dafür gesorgt, dass sich die mikrobiellen Stoffwechselwege Anammox und Denitrifikation entwickeln konnten."

MS/HR

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