Ein Forschungsteam der Philipps-Universität Marburg untersuchte einen der größten bekannten Enzymkomplexe der Natur. Unter der Leitung von Prof. Dr. Jan Schuller entschlüsselte Doktorandin Sophia Paul dessen außergewöhnliche Struktur. Es handelt sich um den sogenannten Heterodisulfid-Reduktase-Superkomplex. Die Ergebnisse zeigen die Funktionsweise dieses molekularen Riesen bei der mikrobiellen Energiegewinnung.
„Dieser Enzymkomplex zeigt eindrucksvoll, wie die Natur komplexe molekulare Maschinen aufgebaut hat, um unter extremen Bedingungen effizient Energie zu gewinnen. Besonders spannend ist für uns, dass wir nicht nur die Struktur dieses riesigen Systems aufklären konnten, sondern auch sehen, wie flexibel Mikroorganismen ihre Energiegewinnung an ihre Umwelt anpassen“, sagt Prof. Dr. Jan Schuller.
Dimensionen und molekulare Organisation des Superkomplexes
Der untersuchte Enzymkomplex besitzt eine Molekülmasse von etwa acht Mega-Dalton. Sein Durchmesser beträgt rund 50 Nanometer. Damit gehört er zu den größten bekannten Enzymkomplexen überhaupt. Zum Vergleich: Typische Enzyme beim Zuckerabbau besitzen oft nur etwa 120 Kilo-Dalton.
Der Superkomplex besteht aus insgesamt 252 Proteinuntereinheiten. Er enthält zudem mehr als 600 Kofaktoren. Diese kleinen Molekülbestandteile sind für die Enzymfunktion entscheidend. Durch die komplexe räumliche Organisation werden mehrere Reaktionsschritte effizient miteinander verbunden. Dies ermöglicht einen schnellen, gezielten Elektronentransfer für die zelluläre Energiegewinnung.
Ein molekularer Schlüssel zur Methanbildung
Der Enzymkomplex stammt aus dem Mikroorganismus Methanococcus maripaludis. Dieser zählt zu den methanogenen Archaeen. Diese einzelligen Organismen leben anaerob unter extremen Umweltbedingungen. Ihre Lebensräume reichen von heißen Quellen bis zu Salzwiesen an der Nordseeküste. Die Mikroorganismen nutzen Wasserstoff zur Reduktion von Kohlendioxid zu Methan. Methan ist ein hochwirksames Treibhausgas und treibt die globale Erwärmung voran. Ein besseres Verständnis dieser Prozesse hilft, die Rolle der Archaeen im globalen Kohlenstoffkreislauf einzuschätzen.
Strukturelle Plastizität und funktionelle Anpassungsfähigkeit
Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie machte das Marburger Team die Enzymstruktur sichtbar. Dabei entdeckten sie eine unerwartete strukturelle Variabilität. Bei rund 18 Prozent der untersuchten Partikel war eine Formiat-Dehydrogenase integriert. Sie ersetzte an dieser Stelle die Wasserstoff-verwertende Hydrogenase. Diese Beobachtung belegt die hohe Anpassungsfähigkeit anaerober Mikroorganismen. Bei akutem Wasserstoffmangel können sie offenbar gezielt funktionelle Bausteine des Komplexes austauschen. So passen sie ihre Energiegewinnung flexibel an veränderte Umweltbedingungen an.
In-situ-Analyse mittels Kryo-Elektronentomographie
Ergänzend untersuchte die Arbeitsgruppe die Enzyme direkt in ihrem natürlichen zellulären Umfeld. Hierzu setzten die Forschenden die Kryo-Elektronentomographie ein. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Dichte der Superkomplexe innerhalb der Zelle. Sie spielen vermutlich eine zentrale Rolle beim intrazellulären Elektronenfluss während der Methanbildung. Die Studie liefert somit fundamentale Einblicke in die molekularen Mechanismen extremer zellulärer Anpassung.