Metallenzym öffnet Benzolring

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Metallenzym öffnet Benzolring
Aromatische Ringe sind extrem stabil und lassen sich chemisch nicht leicht aufbrechen. Die
aus der Industrie bekannte Birch-Reduktion von Aromaten erfordert selbst für Chemiker
drastische Bedingungen. Prof. Dr. Matthias Boll von der Fakultät für Biologie der Universität
Freiburg und sein Team haben mit Geobacter metallireducens einen Organismus, der
Aromaten auch ohne Sauerstoff vollständig abbaut. Der Abbau aromatischer
Kohlenwasserstoffe ist bedeutsam für Mensch und Umwelt. Das Produkt aus einer
Benzolring-Reduktion könnte auch für die Herstellung von Arzneimitteln interessant sein.
Etwa ein Viertel der Kohlenstoffverbindungen an Land enthalten Benzolringe.
Hauptproduzenten aromatischer Substanzen sind vor allem Holzpflanzen, die das aus vielen
Benzolringen aufgebaute Lignin bilden. Benzolringe findet man in aromatischen Aminosäuren
in jedem Organismus. Stoffe wie Benzol, Toluol und Xylol sind wichtige Lösungsmittel, die
Bestandteile von beispielsweise Kunststoffen, Farben und Pestiziden sind. Bis vor einigen
Jahren dachte man, dass Aromaten nur mithilfe von Sauerstoff abgebaut werden könnten.
Doch in den Sedimentschichten von Meeren und Seen, wo ein Großteil der Biomasse abgebaut
wird, herrschen anaerobe Bedingungen. Daher muss es neben dem aeroben auch einen
anaeroben Abbau geben. Wie das aromatische System geknackt wird, war bislang unklar.
Benzol: stabil und kanzerogen
Benzol hat als einfachste aromatische Kohlenwasserstoffverbindung nur einen Ring ohne
weitere funktionelle Gruppen. Es trägt sechs Kohlenstoffatome mit drei konjugierten
Doppelbindungen. Diese lassen sich jedoch nicht lokalisieren, sondern sind gleichermaßen über
das ganze Ringsystem verteilt, was die mit der Aromatizität verbundene Stabilität ausmacht.
Der Mensch kann aromatische Ringe weder herstellen noch abbauen. „Nur Mikroorganismen
können dieses Ringsystem knacken", sagt Boll von der Universität Freiburg, „wegen des hohen
Vorkommens von Aromaten ist der mikrobielle Abbau wichtig für den globalen
Kohlenstoffkreislauf."
Aromatische Lösungsmittel sind schon aufgrund ihrer Fettlöslichkeit recht giftig, da sie
dadurch leicht in den Körper gelangen und dort Membrangefüge zerstören können. „Der
Benzolring ist zudem kanzerogen, da er planar ist", weiß Boll, „er interkaliert in die DNA und
führt zu falschen Ablesemustern." Man weiß, dass aerobe Bakterien aromatische Ringe mit
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Oxygenasen angreifen und oxidativ dearomatisieren können. In solch thermodynamisch
begünstigten Reaktionen findet man die Sauerstoffatome aus der Luft in den Produkten
wieder. Speziell Aromaten ohne funktionelle Gruppe sind enzymatisch schwer angreifbar. „Sind
Hydroxylgruppen durch Oxygenasen angehängt, ist erstmal ein Anfang da", erklärt Boll, „sind
zwei solcher Gruppen am Ring, kann er schon aufgebrochen werden." Was passiert aber dort,
wo kein Sauerstoff ist, wie in Gewässersedimenten oder Erdöllagerstätten?
Birch in anaeroben Bakterien
Anaerober Abbau monozyklischer Aromaten mit dem Zwischenprodukt Benzoyl-CoA, das durch Reduktasen zu
einem zyklischen Dienoyl-CoA reduziert wird. Dieses kann durch Reaktionen, die man beim Abbau von Fettsäuren
kennt, weiter zu CO2 oxidiert werden. © Prof. Dr. Matthias Boll, Universität Freiburg
Boll fragt, wie sich ein aromatischer Ring ohne Sauerstoff mikrobiologisch knacken lässt.
„Wenn es nicht oxidativ geht, dann geht´s eben reduktiv", lautet die simple Antwort. Für
Chemiker ist es ein Riesenaufwand, das stabile System zu überwinden. 1944 entwickelte Arthur
Birch eine alternative Methode zur Reduktion von Aromaten, bei der der Ring nur partiell zu
einem Dien reduziert wird. Da Diene wertvolle Bausteine für weitere Synthesen sind, ist die
Birch-Reduktion eine wichtige Basis in der organischen Chemie, etwa für die Synthese von
Steroiden. Allerdings gelten harsche Reaktionsbedingungen: kryogene Temperaturen,
Alkalimetalle als Reduktionsmittel gelöst in Ammoniak, da in wässriger Lösung die Protonen
aus dem Wasser reduziert werden würden. „Die Bedingungen sind extrem unphysiologisch und
viel zu reaktiv für biologische Systeme", meint Boll. Chemiker verwenden in der BirchReduktion elementares Natrium und generieren mit flüssigem Ammoniak solvatisierte
Elektronen, die so reaktiv sind, dass sie auf den Ring übertragen werden und ihn reduzieren.
„Unser Enzym macht dies bei 30 °C bei einem pH-Wert von 7 im wässrigen Milieu", schmunzelt
Boll, „jeder Chemiker sagt: Das kann kein Enzym!" In Geobacter metallireducens, einem
eisenatmenden, strikt anaeroben Bodenbakterium wurde ein Enzym entdeckt, das dazu fähig
ist. Aber die Funktionsweise versteht man erst jetzt.
Milde Bedingungen mit Benzoyl-CoA-Reduktase
Bolls Arbeitsgruppe isolierte und kristallisierte unter anderem gemeinsam mit dem
Frankfurter MPI die an der Reaktion beteiligten beiden Untereinheiten. Die Untersuchung
ergab erstmals Einblicke in die Struktur des aktiven Zentrums. Hier entdeckten die Forscher
einen bislang einzigartigen Wolfram-Kofaktor und schrieben ihm eine maßgebliche Beteiligung
an der Zerstörung des Benzolrings zu. Wolfram, eines der schwersten Metalle in der belebten
Natur, war bisher nur in bestimmten Archaeen bekannt und kommt bei Menschen nicht vor.
Wolfram ist aufgrund seiner chemischen Eigenschaften besonders gut geeignet, Elektronen auf
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Das Wolframatom (rot) ist im aktiven Zentrum der Benzoyl-CoA-Reduktase durch Schwefelatome (gelb) an einen
organischen Cofaktor und das Protein gebunden. Die Elektronen gelangen vom Wolfram über einen noch
unbekannten Liganden am Wolfram zum Benzolring (schwarz) des Benzoyl-CoA. Die Protonen werden von der
gegenüberliegenden Seite von einem Histidin-Rest bereitgestellt. © Prof. Dr. Matthias Boll, Universität Freiburg
extrem negative Redoxpotenziale zu übertragen. Das Substrat ist hier die aktivierte
Benzoesäure Benzoyl-CoA, die eine aromatische Ringstruktur besitzt. Sie ist ein zentrales
Zwischenprodukt im Stoffwechsel von Bakterien, die monozyklische Aromaten abbauen. Boll
fand das Enzym in zwei Konformationen, in einer mit Zink besetzten geschlossenen, und einer
mit Benzoyl-CoA besetzten offenen Form. Er sah, dass der Unterschied zwischen den beiden
Konformationen wichtig ist, damit das Enzym in Abwesenheit des Substrates auch
verschlossen bleibt. Im wässrigen Milieu wäre eine Öffnung fatal, da Wassermoleküle das
aktive Zentrum zerstören würden. „Wenn das Substrat kommt, öffnet sich das Enzym und das
Zink wird rausgekickt", so der Mikrobiologe.
Eine Besonderheit ist die energetische Kopplung dieser thermodynamisch eigentlich
unmöglichen Reaktion. Während fakultative Anaerobier mit ihrem vergleichsweise simpel
gebauten Enzym die Reduktion mit der Energiewährung ATP bezahlen müssen, ist in
Geobacter ein sehr komplexes Enzym energetisch günstiger am Werk. Gewährleistet wird dies
nach Flaschenzug-Art: Die heikle Elektronenübertragung vom Donor auf den aromatischen
Ring wird an eine energieliefernde, thermodynamisch günstigere Übertragung gekoppelt.
„Dieser als Elektronenbifurkation bezeichnete Prozess ist erst seit wenigen Jahren als neues
Prinzip energetischer Kopplung in biologischen Systemen bekannt", erklärt Boll.
Vom molekularen zum globalen Maßstab
Boll war bis Mitte 2015 Koordinator des DFG-Schwerpunktprogramms „Biologische
Transformation von Kohlenwasserstoffen ohne Sauerstoff", in dem Studien zur
Aromatenspaltung ohne Sauerstoff durchgeführt wurden. Je mehr man über den anaeroben
Abbau aromatischer Substanzen im globalen Kohlenstoffzyklus weiß, desto besser lassen sich
zukünftig Schadstoffe in kontaminierten Böden, Grundwasser oder nach Havarie-Unglücken
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beseitigen. „Die Kläranlagen der Zukunft werden möglicherweise rein anaerob betrieben",
meint Boll. Nicht zu unterschätzen sind mögliche pharmazeutische Anwendungen. Die
Kenntnis öffnet Türen für biologische Alternativen bei der enzymatischen Herstellung von
synthetischen Bausteinen, sogenannten Building Blocks, um neue Arzneimittel wie Antibiotika
zu generieren. „Mit dem Enzym lässt sich gut experimentieren", weiß Boll, „die Industrie und
die Chemiker würden sich sicher über einen biologischen Birch-Katalysator freuen!"
Fachbeitrag
11.11.2015
Stephanie Heyl
BioRegion Freiburg
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH
Weitere Informationen
Prof. Dr. Matthias Boll
Institut für Biologie II
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Schänzlestr. 1
79104 Freiburg
Tel.: 0761 / 203 - 2649
Fax: 0761 / 203 - 2626
E-Mail: matthias.boll(at)biologie.uni-freiburg.de
AG Prof. Boll, Universität
Freiburg
Der Fachbeitrag ist Teil folgender Dossiers
Umweltbiotechnologie
Biologischer Schadstoffabbau
Mikrobiologie
Bakterium
Grundlagenforschung
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