Im Zentrum der biologischen Stickstoffchemie

Der dunkle Fleck ist weg: Als Sauerstoffatom hat ein internationales Forscherteam das schwarz dargestellte Atom im Zentrum des Kofaktors FeMoco identifiziert. Der Kofaktor ist Teil einer Nitrogenase, einem Enzym, mit dem Bakterien Luftstickstoff spalten. (orange – Eisen, gelb – Schwefel, hellblau – Molybdän, rot – Sauerstoff, grau – Kohlenstoff, blau – Stickstoff; Wasserstoffatome sind nicht gezeigt)

Das Rätsel um ein zentrales Atom in Enzymen, die Luftstickstoff spalten, ist gelöst: Es handelt sich um Kohlenstoff

Wie einige Bakterien den Stickstoff der Luft in biologisch brauchbare Verbindungen umwandeln, wird nun klarer. Ein internationales Forscherteam, an dem auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für bioanorganische Chemie in Mülheim an der Ruhr beteiligt waren, hat das letzte Detail im Bauplan des enzymatischen Kofaktors aufgeklärt, mit dem die Mikroorganismen die sehr stabilen Bindungen der Stickstoffmoleküle aufbrechen. Demnach handelt es sich bei einem zentralen Atom des Enzyms um Kohlenstoff. Die Natur dieses einen Atoms ließ sich erst mit einer besonders feinfühligen Variante der Röntgen-Emissions-Spektroskopie aufdecken, die in den Biowissenschaften bislang kaum gebräuchlich ist. Die genaue Struktur des Kofaktors zu kennen, ist eine Voraussetzung, um Stickstoffverbindungen nach dem Vorbild der Natur schonender herzustellen als im industriellen Haber-Bosch-Verfahren, das mit hohem Druck und hoher Temperatur arbeitet.

Man könnte von einem Kartell der biologischen Stickstoffchemie sprechen: Nur eine Reihe mikrobieller Spezialisten wie Knöllchen- und Cyanobakterien können den Stickstoff der Luft in Ammoniak umwandeln, aus dem sich Aminosäuren und andere stickstoffhaltige Biomoleküle aufbauen lassen. Denn nur diese Bakterien besitzen den biochemischen Apparat, um die extrem starke Dreifachbindung von Stickstoff-Molekülen zu knacken.

Die Enzyme und Kofaktoren, mit dem die Einzeller Stickstoff aus der Luft chemisch fixieren, arbeiten bei sehr milden Bedingungen und sind daher auch für Chemiker interessant. Das industrielle Haber-Bosch-Verfahren spaltet die Stickstoffmoleküle nämlich unter sehr harschen Bedingungen – bei hohem Druck und hoher Temperatur –, um daraus Ammoniak zu erzeugen. Für einen Prozess, der unter milderen Bedingungen läuft, könnten sich Chemiker den enzymatischen Apparat zum Vorbild nehmen – wenn sie seine Arbeitsweise im Detail verstünden. Ein Detail hat ein internationales Team um Serena DeBeer, die am Max-Planck-Institut für bioanorganische Chemie und an der Cornell Universität im US-amerikanischen Ithaca forscht, nun geklärt.Die Forscher haben herausgefunden, dass an einer zentralen Stelle des Eisen-Molybdän-Kofaktors, kurz FeMoco, ein Kohlenstoffatom sitzt. Bei FeMoco handelt es sich um das aktive Zentrum der Stickstoff fixierenden Nitrogenase-Enzyme. Das Kohlenstoffatom bildet mit sieben Eisenionen, neun Sulfidionen und einem Molybdänion das aktive Zentrum, an dem Stickstoffmoleküle gespalten werden.

Die Forscher haben herausgefunden, dass an einer zentralen Stelle des Eisen-Molybdän-Kofaktors, kurz FeMoco, ein Kohlenstoffatom sitzt. Bei FeMoco handelt es sich um das aktive Zentrum der Stickstoff fixierenden Nitrogenase-Enzyme. Das Kohlenstoffatom bildet mit sieben Eisenionen, neun Sulfidionen und einem Molybdänion das aktive Zentrum, an dem Stickstoffmoleküle gespalten werden.

Die Identität des zentralen Atoms war jahrelang unbekannt

„Mit unserer Untersuchung haben wir einen ersten Schritt getan, um die biologische Stickstofffixierung besser zu verstehen“, sagt Serena DeBeer. Die Forscher klärten mit ihrer Studie eine seit Jahren offene Frage. In einer Röntgenstrukturuntersuchung hatten deutsche und amerikanische Wissenschaftler den Bauplan des Kofaktors im Jahr 2002 weitgehend entschlüsselt. Über ein Atom, das in seiner Mitte sitzt und von sechs zentralen Eisenatomen umgeben ist, konnten sie aber nicht mehr sagen, als dass es sich um ein leichtes Element, wie Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff handeln müsse.

Gelöst haben die Forscher um Serena DeBeer das Problem nun mit einer Variante der Röntgenemissionsspektroskopie: der Valence to Core X-ray Emission Spectroscopy (V2C-XES), zu Deutsch Valenz-zu-Kern-Röntgenemissionsspektroskopie. Sie nutzt Röntgensignale, die in Prozessen zwischen den Valenz- und kernnahen Elektronen der Eisenatome entstehen. Die Valenzelektronen bilden die äußerste Schale in der Elektronenhülle eines Atoms; über sie steht das Atom mit seinen Nachbaratomen in , so dass sie von den Nachbaratomen beeinflusst werden. Dies wiederum macht sich in einem V2C-XES Spektrum bemerkbar.

Im Fall von FeMoco heißt das: Das V2C-XES-Spektrum der sechs zentralen Eisenatome gibt Aufschluss über ihre Bindungspartner und mithin über das bis dato unbekannte leichte Atom. Um dieses zu identifizieren, verglichen die Forscher ihre experimentellen Daten des FeMoco-Komplexes zum einen mit Daten eines anderen Eisen-Schwefel-Komplexes in der Nitrogenase. Dessen Zentrum ähnelt dem von FeMoco, in der Mitte seiner sechs zentralen Eisenatome sitzt allerdings bekanntermaßen ein Schwefelatom.