Baupläne für neue Energiewandlungssysteme

31.01.2012

Baupläne für neue Energiewandlungssysteme

Darmstädter Biologen erforschen System zur Sulfit-Reduktion

Biologen der TU Darmstadt erforschen Mikroorganismen, deren Aktivitäten die globalen Stoffkreisläufe beeinflussen. Ihnen ist nun die Charakterisierung eines neuartigen Enzymsystems zur Reduktion der Schwefelverbindung Sulfit gelungen. Da solche Systeme bausteinartig aufgebaut sind, eröffnet sich die Möglichkeit, künftig gezielt Mikroorganismen mit genau festgelegtem Energiestoffwechsel zu planen.

Dr. Melanie Kern erforscht bakterielle Energiestoffwechselsysteme. Bild: TU Darmstadt
Dr. Melanie Kern erforscht bakterielle Energiestoffwechselsysteme. Bild: TU Darmstadt

Die verschiedenen Vorgänge der Energiewandlung in Mikroorganismen werden im Wesentlichen durch Enzyme bewerkstelligt, die metallische Atome besitzen und damit gezielt Elektronen untereinander austauschen. Dabei greift die Natur für die verschiedensten Stoffwechselwege auf eine begrenzte Zahl von charakteristischen Modulen für die Proteinproduktion zurück, die im Prinzip austauschbar sind und sich nach dem Baukastenprinzip künstlich kombinieren lassen sollten. Dies führt zu der faszinierenden Vorstellung, Mikroorganismen mit genau festgelegtem Energiestoffwechsel zu erzeugen und beispielsweise für die Reduktion toxischer oder klimaschädlicher Substanzen zu nutzen.

Schwefelverbindungen im Blick

Prof. Jörg Simon gehört zu den Wissenschaftlern am Fachbereich Biologie, Schwerpunkt Synthetische Biologie, die zum sogenannten Molekularen Energiestoffwechsel-Design forschen. Jetzt ist ihm und seinen Mitarbeitern die umfassende Charakterisierung eines neuartigen und strikt modular aufgebauten Systems zur mikrobiellen Sulfit-Reduktion gelungen. Die Ergebnisse wurden in der internationalen Fachzeitschrift Molecular Microbiology publiziert (Ausgabe 82(6), 2011, Seite 1515-1530).

Dieses System reiht sich in eine Reihe weiterer, erst kürzlich entdeckter mikrobieller Stoffwechselvorgänge ein, die an den Umsetzungen von verschiedenen Stickstoff- und Schwefelverbindungen in der Natur beteiligt sind. Das neuartige Enzym, das Sulfit zu Sulfid reduziert, gehört zur Familie der sogenannten Multihäm-Cytochrome, die in einem gemeinsamen, durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt der TU Darmstadt mit der Universität Freiburg untersucht werden.

Herausforderungen für die Zukunft

Durch die neuen Erkenntnisse sind die Wissenschaftler ihrem Ziel einen Schritt näher gekommen, effiziente synthetische Energieumwandlungssysteme über mikrobielle Artgrenzen hinweg zu entwickeln. Allerdings zeigt auch der jetzt beschriebene Energiewandler die hohe Komplexität solcher Stoffwechselvorgänge. So ist beispielsweise eine Reihe von Proteinen an der Herstellung der Enzyme beteiligt, deren Funktionsweisen im Detail noch unverstanden sind. In der Vergangenheit haben diese Defizite dazu geführt, dass derartige Metalloenzyme nicht in beliebigen anderen Organismen produziert werden konnten. Unter anderem diesem Problem wollen sich die Darmstädter Forscher des Schwerpunkts Synthetische Biologie in Zukunft stellen.

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