Mithilfe von Mikroben Ethylenproduktion ohne Emissionen

Die herkömmliche Gewinnung von Ethylen setzt große Mengen Treibhausgase frei. Ein bakterielles Enzym könnte es zukünftig möglich machen, diesen wichtigen Kunststoffbaustein ohne CO₂-Emissionen zu produzieren. 

Zur Deckung des aktuellen Bedarfs an Kunststoffen und chemischen Grundstoffen wird Ethylen derzeit in großem Maßstab aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Dies macht die Suche nach neuen, erneuerbaren Verfahren erforderlich. Die Nutzung bakterieller Stoffwechselwege könnte zukünftig eine Lösung sein. 

Allerdings sind in der Natur nur wenige Enzyme bekannt, die Ethylen bilden können. Diese benötigen oft energiereiche Substrate. Darüber hinaus setzen auch sie CO₂ als Nebenprodukt frei.

Die Wissenschaft reagierte daher mit großem Interesse, als vor einigen Jahren im Bakterium Rhodospirillum rubrum das Enzym Methylthioalkan-Reduktase entdeckt wurde. Mit dessen Hilfe produziert das Bakterium unter sauerstofffreien Bedingungen Ethylen, ohne dass CO₂ entsteht.

Viele offene Fragen – bisher 

Die Tatsache, dass die Produktion unter sauerstofffreien Bedingungen stattfindet, ist auch ein Problem: Aufgrund der erheblichen Herausforderungen bei der Aufreinigung und Handhabung der sauerstoffempfindlichen Metalloenzyme konnte die Methylthioalkan-Reduktase bisher nur in Zellkulturen untersucht werden. Ein direkter Nachweis ihrer Aktivität außerhalb der Zelle fehlte bislang. 

Vor einer möglichen biotechnologischen Nutzung bleiben viele wichtige Fragen offen: Wie funktioniert der katalytische Mechanismus und welche Eigenschaften bestimmen ihn? Nun haben Forschende des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie in Marburg unter der Leitung von Dr. Johannes Rebelein in einer Zusammenarbeit mit der RPTU Kaiserslautern das Enzym aufgereinigt und seine Struktur aufgeklärt. 

Dabei machten die Forschenden eine spannende Entdeckung: „Die Reaktion wird von großen, komplexen Eisen-Schwefel-Clustern angetrieben, von denen man bisher annahm, dass sie nur in den Nitrogenasen, den ältesten Enzymen der Erde, vorkommen“, erklärt Ana Lago-Maciel, Doktorandin und Erstautorin der Studie. Das Enzym sei das erste Nicht-Nitrogenase-Enzym, von dem bekannt ist, dass es diese Metallcluster enthält.

Bemerkenswerte Vielseitigkeit

Nitrogenasen entstanden vor Milliarden von Jahren. Sie sind die einzigen bekannten Enzyme, die gasförmigen Stickstoff aus der Atmosphäre für das Leben verfügbar machen, indem sie durch die Reduktion des Stickstoffs den Einbau in Biomoleküle wie DNA und Proteine ermöglichen. Diese einzigartige Leistung beruht auf einer Besonderheit: großen und komplexen Eisen-Schwefel-Clustern. Aufgrund ihrer strukturellen Komplexität und geochemischen Bedeutung gehören die Metallcluster der Nitrogenasen zu den sogenannten „Great Clusters of Biology“.

Die Arbeit erschließt auch den biochemischen und strukturellen Hintergrund einer geochemisch bedeutsamen Quelle von Kohlenwasserstoffen. „Tatsächlich hat das Enzym eine bemerkenswerte Vielseitigkeit“, erklärt Rebelein. Es kann eine Reihe von Kohlenwasserstoffen produzieren, neben Ethylen auch Ethan oder Methan.

Blaupausen für eine nachhaltigere Kunststoffindustrie

Das im Vergleich zu Nitrogenasen sehr unterschiedliche Substratspektrum des Enzyms eröffnet neue Türen für das Verständnis, wie die Proteinstruktur die Reaktivität der Metallcluster bestimmt. „Unsere Arbeit liefert die Grundlage, um diese Enzyme biotechnologisch zu zähmen und ihr Produktspektrum an unsere Bedürfnisse anzupassen“, sagt Rebelein.

Zudem seien die Ergebnisse ein Hinweis auf die Evolution und Rolle der „Great Clusters“ in der Vergangenheit. „Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass strukturell ähnliche Enzyme diese Cluster bereits für die reduktive Katalyse nutzten, lange bevor sich die Nitrogenasen selbst entwickelten. Dies ist eine dramatische Wende in unserem Verständnis dieses entscheidenden Teils der Lebensgeschichte auf der Erde“, so Rebelein abschließend.