Die hochauflösende Kryo-Elektronenmikroskopie revolutioniert die Erforschung komplexer enzymatischer Prozesse, indem sie detaillierte Einblicke ermöglicht. Ein Forschungsteam der Universität Potsdam und der Humboldt-Universität zu Berlin hat diese Methode erfolgreich eingesetzt, um den Enzymkomplex CODH/ACS präzise zu charakterisieren. Dabei entdeckten sie, dass sich dieser Komplex während chemischer Reaktionen bewegt und diese dynamischen Veränderungen die Reihenfolge der Reaktionen maßgeblich bestimmen.
Die Rolle der uralten CO-Dehydrogenase in der Biokraftstoffproduktion
Bevor sich in der Erdgeschichte durch die Photosynthese Sauerstoff in der Atmosphäre anreicherte, wurde unser Planet hauptsächlich von anaeroben Mikroorganismen besiedelt. Diese Lebewesen benötigten für ihren Stoffwechsel keinen Sauerstoff. Die anaerobe Kohlenstofffixierung ist einer der ältesten und effizientesten Prozesse dieser Art und spielt auch heute noch eine zentrale Rolle in modernen Ökosystemen, beispielsweise in vulkanischen Sümpfen oder im Verdauungstrakt von Tieren. Der dafür unerlässliche Enzymkomplex, die Kohlenmonoxid-Dehydrogenase/Acetyl-CoA-Synthase (CODH/ACS), ist in Mikroorganismen seit über 3,5 Milliarden Jahren erhalten geblieben.
Die Effizienz der CODH/ACS macht sie zu einem vielversprechenden Enzymkandidaten für die Biokraftstoffproduktion aus Kohlendioxid. Ihre Katalyse, also die Beschleunigung chemischer Prozesse, basiert auf verschiedenen Nickel-Eisen-Metallclustern. Diese Cluster wandeln Kohlendioxid in mehreren Reaktionsschritten in das wichtige Biomolekül Acetyl-Coenzym A um.
Hochauflösende Kryo-EM enthüllt den katalytischen Zyklus der uralten CODH/ACS für nachhaltige Kohlenstofffixierung
Forschende der Universität Potsdam und der Humboldt-Universität zu Berlin haben nun erstmals die hochauflösende Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) eingesetzt, um den katalytischen Zyklus der CODH/ACS aufzuklären. Die Kryo-EM besitzt ein breites Anwendungsspektrum und kann zur Strukturanalyse verschiedener Enzyme und Biopolymere eingesetzt werden.
„Unsere Kryo-EM-Karten von sechs Zwischenzuständen der CODH/ACS sind so hoch aufgelöst, dass die an das Metallzentrum gebundenen Moleküle eindeutig mit den Bewegungen des Proteins korreliert werden können“, sagt der Erstautor der Studie, Jakob Ruickoldt. „Bislang wurden die verschiedenen Bindungszustände von CODH/ACS noch nicht mittels Kryo-EM untersucht“, so Petra Wendler. „Durch den Einsatz dieser Methode haben wir herausgefunden, wie die Bindung der verschiedenen Moleküle das aktive Zentrum für den nächsten Reaktionsschritt vorbereitet und so Nebenreaktionen und den Verlust von wertvollen Reaktionszwischenstufen verhindert. Dieses Wissen wird helfen, die Katalyse des uralten Enzymkomplexes für die biotechnologische Kohlenstofffixierung zu nutzen.“
Quelle
Publikation
Ruickoldt et al., 2025, Ligand binding to a Ni-Fe cluster orchestrates conformational changes of the CO-methylating acetyl-CoA synthase, Nature Catalysis, https://www.nature.com/articles/s41929-025-01365-y