Bakterien sind die besten Chemiker

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WISSENSCHAFT
Bio-Anorganische Chemie
Bakterien sind die besten Chemiker
OLIVER EINSLE 1 , GRAZYNA B. SEIFFERT 2 , MARTHA E. SOSA-TORRES 2 , 3 UND PETER M.H. KRONECK 2
1 INSTITUT FÜR MIKROBIOLOGIE UND GENETIK, GEORG-AUGUST-UNIVERSITÄT GÖTTINGEN, 2 FACHBEREICH BIOLOGIE,
UNIVERSITÄT KONSTANZ, 3 FACULTAD DE QUÍMICA, UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
“Dear Lord, I fall upon my knees
and pray that all my syntheses
may cease to be inferior
to those conducted by bacteria”
ó Dieses Gebet eines Chemikers[1] wird verständlich angesichts der Fülle anorganischer
und organischer Moleküle, die von Bakterien
meisterlich synthetisiert werden. Sie bestehen in der Regel aus einer einzelnen Zelle,
sind von kleiner Gestalt und einfach aufgebaut. Täuschen wir uns nicht, denn Bakterien sind erstaunlich komplexe und faszinierende Lebewesen. Ihre Laboratorien können
sie an Extremstandorten aufbauen in Bezug
auf Temperatur, Druck, Sauerstoffgehalt und
chemischen Stress[2]. Bakterien helfen bei der
Verdauung von Gras im Kuhpansen, zusammen mit Flagellaten verwerten sie Holzbestandteile und Stoffwechselprodukte im Termitendarm[3]. „Leben unter tödlichen Bedingungen, bei pH 11 und 300 Gramm Salz pro
Liter Wasser“, so lautete die Pressemitteilung
des Max-Planck-Instituts in Martinsried über
den Anpassungskünstler Natronomonas pharaonis[4]. Bakterien verblüffen die Wissenschaftler stets aufs Neue. Dank geothermischer Strahlung sind sie in 2,4 km Meerestiefe ohne Sonnenlicht zur Photosynthese
fähig[5]. In diesen Tiefsee-Oasen gibt es Hydrothermalschlote, die 350° C heißes, an Schwermetallsulfiden reiches Wasser ausstoßen. Ein
Paradies für exzentrische Bakterien.
Oft müssen Bakterien ihre Nahrung ohne
Sauerstoff prozessieren. Ihr Speisezettel zur
Energiekonservierung enthält Delikatessen
wie Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH4), Sulfat (SO42–), Schwefel (S0), Nitrat (NO3–), Arsenat
(AsO42–), oder toxische Metallverbindungen[6, 7]. Um das wichtige Element Eisen aufzunehmen, welches je nach Lebensraum in
Form schwerlöslicher Eisenoxide oder in Konzentrationen von 0,02 bis 1,0 nM gelöst im
Ozean vorliegt, werden Siderophore produziert. Dieses sind Komplexbildner mit zumeist
anspruchsvoller Stereochemie und hoher Affinität zum Fe(III)-Ion[8].
Bakterien sind Könner beim Umsatz reaktionsträger Moleküle. Die Reduktion von Lachgas (N2O) zu N2 und H2O läuft problemlos ab
bei Raumtemperatur und Normaldruck[9].
Stickstofffixierer spalten die stabile N≡N-Bindung unter Bildung von Ammoniak (NH3),
der bioverfügbaren Form des Stickstoffs für
Pflanze, Tier und Mensch[10]. Aromatische
Kohlenstoffverbindungen, z. B. Benzol, Toluol oder Phenol, werden selbst ohne Sauerstoff
zerlegt mittels raffinierter Mechanismen ähnlich zur Birch-Reduktion und der Kolbe-Synthese [11, 12].
Bakterien sind außergewöhnlich geschickte Chemiker, ausgestattet mit einer Vielfalt
an neuartigen chemischen Strukturen und
Reaktionen. Als repräsentative Beispiele
dafür haben wir das Kupferenzym Distickstoffmonoxidreduktase, das Eisen-MolybdänEnzym Nitrogenase und das Multihäm-Enzym
Cytochrom c-Nitritreduktase ausgesucht.
Dazu stellen wir eine ungewöhnliche Reaktion aus dem Bereich des Aromatenabbaus
vor, welche durch das Molybdänenzym Transhydroxylase katalysiert wird. Diese Auswahl
soll die fundamentale Bedeutung von Übergangsmetallen und die besondere Rolle des
Schwefels für biologische Prozesse und die
Evolution des Lebens unterstreichen[6, 13].
Distickstoffmonoxidreduktase (N2OR)
Der Umsatz des Treibhausgases N2O (N2O +
2 H+ + 2 e− → N2 + H2O; Eo⬘ = +1,35 V) ist ein
wesentlicher Teilschritt der mikrobiellen
Denitrifikation. Die N2OR ist ein Head-to-TailHomodimer mit zwei neuartigen Kupferzentren. Jede Untereinheit ist aus zwei Domänen
aufgebaut: In der C-terminalen Domäne sitzt
das CuA, ein gemischtvalentes Elektronentransfermodul, [Cu1,5+(SCys)2Cu1,5+]. Der CuCu-Abstand liegt, ähnlich wie beim metallischen Kupfer, bei 2,45 Å. Die N-terminale
Domäne beherbergt das Katalysezentrum
CuZ, einen vierkernigen Kupfersulfidcluster.
Dieser findet sich in der Nabe einer siebenblättrigen β-Propeller-Domäne, welche die
sieben Histidinliganden für CuZ liefert. Die
kürzeste CuA-CuZ-Distanz innerhalb eines
Monomers liegt bei 40 Å und ist somit zu groß
für einen effizienten Elektronentransfer. Dieses Problem wird elegant gelöst durch die
Head-to-Tail-Architektur des Dimers, welche
den Abstand auf 10 Å verringert (Abb. 1)[9].
Wo das Gas N2O bindet und wie es umgesetzt
wird, ist bisher noch wenig verstanden. Ähnlich wie N2 ist N2O bemerkenswert stabil;
es ist aber ein potentes Oxidationsmittel. Seine Affinität zu Metallen ist gering, und es
gibt bis heute keine einzige Kristallstruktur
eines N2O-Komplexes, nicht einmal für
das 1969 von Taube beschriebene Ion
[Ru(NH3)5(N2O)]2+. Sowohl CuA als auch CuZ
durchlaufen mehrere Redoxzustände; im
Enzymtest mit Methylviologen als Elektronendonor muss CuZ in den vollreduzierten
Zustand [CuI4(S2–)]2+ überführt werden. N2O
könnte dann zwei Kupferzentren überbrücken und gespalten werden[9].
Nitrogenase (N2ase)
Der Name Stickstoff des chemischen Elements
N rührt von seiner Reaktionsträgheit her.
Aber während der großtechnische HaberBosch-Prozess Ammoniak aus N2 und H2 bei
hohen Temperaturen und Drücken produziert
(über 500° C, 200 bar), erledigen Bakterien
dies bei 20° C und 1 bar[10]. Die biologische
Stickstofffixierung wird durch die Nitrogenase (N2ase) katalysiert, wobei pro Elektron
zwei Moleküle ATP investiert werden:
N2 + 8H+ + 8e– + 16 MgATP →
2 NH3 + H2 + 16 MgADP + 16 PO3–
4
Die N2asen lassen sich als Eisen-Molybdän(MoFe)-, Eisen-Vanadium(VFe)-, und Eisen(FeFe)-N2asen klassifizieren. Die am intensivsten untersuchte N2ase ist das MoFeEnzym, dessen Struktur wir bei atomarer Auflösung (1,16 Å) kennen. Es enthält zwei einBIOspektrum | 04.06 | 12. Jahrgang
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zigartige Eisen-Schwefel-Cluster. Der PCluster, ein [8Fe:7S]-Elektronentransferzentrum, reduziert das eigentliche Aktivzentrum
der N2ase, den Eisen-Molybdän-Cofaktor
(FeMoco). Dieser ist bis heute der größte
bekannte biologische Eisen-Schwefel-Cluster
(Mo:7Fe:9S:N) und zeigt einen hochsymmetrischen Aufbau mit einem zentralen Stickstoffatom (Abb. 2) [14]. Mit dem Protein ist der
FeMoco lediglich über ein Cystein und ein
Histidin verbunden; ein Homocitrat bindet
über zwei Sauerstoffe an das Molybdän.
Die Reaktion der N2ase besteht aus dem
komplexen Zusammenspiel des MoFe-Enzyms
mit der N2ase-Reduktase, an der ATP gespalten wird. Dadurch werden Elektronen von
sehr negativem Potenzial erzeugt, die dann
nacheinander an das Aktivzentrum des
Enzyms weitergeleitet werden. Erstaunlicherweise ist der molekulare Mechanismus
dieser Reaktion noch nicht in allen Einzelheiten aufgeklärt, und selbst die Bindestelle
von N2 am Cofaktor bleibt umstritten.
Cytochrom c -Nitritreduktase (ccNiR)
˚ Abb. 1: a) Struktur der N2O-Reduktase aus Paracoccus denitrificans, b) CuA und CuZ.
˚ Abb. 2: a) Struktur des Nitrogenase α2β2-Tetramers (grün-blau) im Komplex mit der Reduktase
(rosa) aus Azotobacter vinelandii, b) Eisen-Molybdän-Cofaktor, c) P-Cluster.
Im biogeochemischen Kreislauf des Stickstoffs nimmt Nitrit (NO2–) eine zentrale Position ein. Je nach Organismus besitzen denitrifizierende Bakterien eine Eisen- oder Kupfer-Nitritreduktase, die Nitrit einelektronisch
zu Stickstoffmonoxid (NO) umsetzt. Alternativ wird Nitrit in einem Sechs-Elektronenschritt durch die Cytochrom c-Nitritreduktase (ccNiR) zu Ammoniak reduziert:
NO2– + 8H+ + 6e– → NH4+ + 2H2O
(Eo⬘ = + 0,340 V).
Mögliche Zwischenprodukte der dissimilatorischen Nitratreduktion zu Ammoniak, NO,
N2O und Hydroxylamin (NH2OH) werden von
ccNiR nicht freigesetzt, sind aber alternative
Substrate[15]. Das Enzym ist ein Homodimer,
mit fünf über Thioetherbrücken mit dem Protein verknüpfte Hämzentren pro Monomer
(Abb. 3)[16]. Die dichte Packung der Hämzentren erlaubt einen effizienten Elektronentransfer und trägt zur hohen katalytischen
Aktivität der ccNiR bei. Bisher einmalig ist
auch das Aktivzentrum der ccNiR, bei dem
im klassischen Häm-Bindemotiv Cys-X-X-CysHis das Histidin durch Lysin ersetzt wird. Die
ε-Aminogruppe des Lysins bildet den proximalen Liganden des Eisens; die in trans-Position liegende sechste Koordinationsstelle steht
dem Substrat Nitrit zur Verfügung. Die Katalyse wird durch die heterolytische Spaltung
einer N-O-Bindung eingeleitet, erleichtert
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˚ Abb. 3: a) Struktur der Cytochrom c-Nitritreduktase aus Wolinella succinogenes,
b) Nitrit koordiniert am Aktivzentrum.
durch die Rückbindungswechselwirkung des
Nitritstickstoffs mit dem Fe(II)-Hämzentrum.
Einen wichtigen Beitrag zur Aktivierung von
Nitrit liefert ein Netzwerk von Wasserstoffbrücken, welches die Symmetrie des Nitritmoleküls aufhebt und so eine N-O-Bindung
stärkt und die andere schwächt[15]. Das katalytische Hämzentrum ist mit der Proteinoberfläche durch einen Kanal mit einem positiven elektrostatischen Oberflächenpotenzial verbunden, während ein zweiter Kanal mit
im wesentlichen negativen elektrostatischen
Potenzial auf der gegenüberliegenden Seite
hin zur Proteinoberfläche führt. Diese Anordnung gewährleistet einen gerichteten Reaktionsfluss: Aufnahme des Nitritanions und
Abgabe des kationischen Produkts NH4+ sind
räumlich getrennt, was eine Produktinhibition verhindert und somit zur Optimierung
des Enzyms beiträgt[16].
Transhydroxylase (TH)
Trihydroxybenzole und ihre Derivate sind
weit verbreitete Bausteine aromatischer
Naturstoffe und werden durch anaerobe
Mikroorganismen abgebaut. Zellextrakte von
Pelobacter acidigallici setzen Pyrogallol stöchiometrisch zu Phloroglucin um mithilfe des
Cosubstrats 1,2,3,5-Tetrahydroxybenzol. Diese auf dem Papier trivial anmutende Reaktion wird katalysiert von dem Molybdänenzym Transhydroxylase (TH), ein Schlüssel-
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˘ Abb. 4: a) Struk-
tur der Transhydroxylase aus Pelobacter
acidigallici, b)
Mo(MGD)2 und
[4Fe-4S]-Cluster, c)
Transhydroxylierungsreaktion.
enzym des fermentativen Abbauwegs von Gallussäure[12]. TH ist ein αβ-Heterodimer und
gehört aufgrund der Aminosäuresequenz zur
Dimethylsulfoxidreduktase-Familie. Die große α-Untereinheit trägt das Katalysezentrum
Mo(MGD)2, wobei das Metall an zwei Moleküle Molybdopterin-Guanin-Dinukleotid über
vier Dithiolenschwefelatome koordiniert ist.
In der kleineren β-Untereinheit sind drei [4Fe4S]-Cluster verankert, deren Rolle bei der
Transhydroxylierungsreaktion noch nicht verstanden ist (Abb. 4). Transhydroxylierungen,
bei denen eine Hydroxylgruppe intermolekular zwischen zwei organischen Substraten
transferiert wird, sind ein neuartiger Reaktionstyp. Gemäß einem Vorschlag von Janos
Rétey (Universität Karlsruhe) wird intermediär ein Diphenylether in der Koordinationssphäre des Molybdäns gebildet. Röntgenstrukturen der TH im Komplex mit Pyrogallol
und dem Inhibitor 1,2,4-Trihydroxybenzol
begünstigen den Rétey’schen Mechanismus,
allerdings bedarf es noch weiterer kinetischer
Studien. Molybdän ist eher ein Redox-passiver Zuschauer und leistet nicht wie gewohnt
die Sauerstofftransferchemie. Für die wichtige Rolle des Cosubstrats spricht der Befund
aus Experimenten mit 18O-markiertem H2O,
dass keine der transferierten Hydroxylgruppen dem Wasser entstammt[12].
Bakterien und Biomimetische Chemie
Das chemische Leistungsvermögen von Bakterien einschließlich ihrer Anpassungsfähigkeit an extreme Standorte und eine sich rasch
verändernde Umwelt muss gesehen werden
im Hinblick auf die Evolution des Lebens auf
unserer Erde. Packt man das gesamte Geschehen in einen 24-Stunden-Tag, so begannen
die Bakterien schon morgens um 5 Uhr ihre
Arbeit, der Mensch hingegen erst kurz vor
Mitternacht. Er lernt dennoch rasch von der
Natur und stellt sich der Herausforderung.
Die biomimetische Chemie boomt, und es werden spektakuläre Erfolge erzielt bei der Synthese komplexer organischer Naturstoffe und
Metall-abhängiger Katalysatoren. Ein Paradebeispiel ist die Synthese eines Modells des
H-Clusters der Eisen-abhängigen Hydrogenase, welche Wasserstoff (H2) sowohl spalten
als auch bilden kann. Die Synthese dieses
biomimetischen Eisenkomplexes ist ein großer Schritt voran auf dem Weg zu einer effizienten Wasserstoff-Brennzelle, die ohne das
teure Platin auskommen könnte[17].
Freuen wir uns also auf weitere Höchstleistungen der Bakterien und sind gespannt,
wie diese unser chemisches Wissen und Können voranbringen werden.
Danksagung
Wir danken Robert Huber, Albrecht Messerschmidt, Norbert Pfennig, Bernhard
Schink und Walter Zumft für die Einführung in die faszinierende Welt der Bakterien und Proteinstrukturen, ferner der
Deutschen Forschungsgemeinschaft und
der Volkswagenstiftung für finanzielle
Unterstützung.
Literatur
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Symposiums über Bioanorganische Chemie, Szklarska
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hydrogenase. Nature 433: 610–613.
Korrespondenzadressen:
Prof. Dr. Oliver Einsle
Institut für Mikrobiologie und Genetik
Abt. Molekulare Strukturbiologie
Georg-August-Universität Göttingen
Justus-von-Liebig-Weg 11
D-37077 Göttingen
Tel.: 0551-3914189
Fax: 0551-3914082
[email protected].
Prof. Dr. Peter M. H. Kroneck
Fachbereich Biologie
Universitätsstr. 10
D-78457 Konstanz
Tel.: 07531-882103
Fax: 07531-882966
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AUTOREN
Oliver Einsle
1991–1996 Studium der
Biologie in Konstanz;
2000 Dissertation an der
Universität Konstanz (Peter M. H. Kroneck und
Robert Huber, MPI für
Biochemie, Martinsried);
2001–2003 Postdoc am
California Institute of
Technology in Pasadena
(Douglas C. Rees); seit
2003 Juniorprofessor an
der Universität Göttingen
Grazyna B. Seiffert
1998–2003 Studium der
Chemie in Wroclaw; seit
Oktober 2003 Doktorandin im Labor für Bioanorganische Chemie (Arbeitsgruppe Kroneck) an
der Universität Konstanz
Martha E. Sosa-Torres
1972–1980 Studium der
Chemie in Mexico City;
1983 Dissertation am
University College, London (Martin L. Tobe);
1992–1993 Marie-Curie
Fellow am King’s College,
London (Martin Hughes);
seit 1984 Professorin für
Anorganische Chemie an
der Universidad Nacional
Autónoma de México,
Mexico City; seit Juli
2005 Sabbatical Jahr an
der Universität Konstanz
Peter M. H. Kroneck
1962–1967 Studium der
Chemie in Basel; 1971
Dissertation an der Universität Konstanz (Peter
Hemmerich); 1971–1973
Postdoc an der Utah
State University in Logan
(Jack. T. Spence); 1980
Habilitation an der Universität Konstanz; seit
1987 Professor für Biochemie, Universität Konstanz; 2002 European
Biological Inorganic
Chemistry (EUROBIC)
Medaille
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