Türme aus Enzymen helfen Mikroben beim Wachsen

Die Ergebnisse zeigen im Detail, wie NXR aufgebaut ist: Die einzelnen NXR-Einheiten stapeln sich wie Rückenwirbel turmartig übereinander, eine bisher nicht beobachtete Struktur. "Kryo-Elektronentomographie und helikale Rekonstruktion haben gezeigt, dass NXR diese ungewöhnliche tubuläre Strukturen, wie lange Fasern, in den Anammox-Zellen ausbildet", so Kristian Parey vom Max-Planck-Institut für Biophysik. Ihre Funktion ist derzeit jedoch noch unklar. Eindeutiger ist die Struktur der einzelnen NXR-Moleküle: auf einer Seite gibt es eine sogenannte „aktive Tasche“, in der Nitrit gebunden und in Nitrat umgewandelt wird. Dabei werden Elektronen freigesetzt und über eine Art elektrische Leitung zur anderen Seite des Moleküls transportiert. Dort können diese Elektronen von anderen Molekülen abgegriffen werden und für den Zellstoffwechsel genutzt werden. "NXR wird wegen seiner Bedeutung für den globalen Stickstoffkreislauf schon seit Jahrzehnten untersucht, aber wie NXR-Moleküle genau aussehen, wussten wir nicht", sagt Thomas Barends, Gruppenleiter am MPI für medizinische Forschung in Heidelberg. "Jetzt kennen wir die detaillierte Struktur dieser Moleküle, was hilft, die Funktionsweise von NXR zu verstehen.“

„Bei Anammox-Bakterien war die Verbindung zwischen Nitrit-Oxidation und Nitrit-Reduktion bisher rätselhaft“, ergänzt Boran Kartal, Gruppenleiter am MPI für Marine Mikrobiologie in Bremen. „Diese Studie bringt uns einen großen Schritt weiter um zu verstehen, wie diese Mikroorganismen die Energieproduktion und Wachstum verbinden.“ Der Anammox-Prozess ist ein be­son­ders span­nen­der Teil des Stick­stoff-Kreis­laufs: Durch die­sen Pro­zess wer­den Ni­trit oder Stick­oxid und Am­mo­ni­um di­rekt in mo­le­ku­la­ren Stick­stoff (N₂) um­ge­wan­delt, der immerhin 78% unserer Atmosphäre ausmacht. „Unsere detaillierte Untersuchung des molekularen Mechanismus der Nitritoxidation wird uns helfen, die Faktoren aufzudecken, die die Nitratproduktion in der Natur steuern, die ein wichtiger Schritt im ökologischen Nährstoffkreislauf ist“, so Kartal weiter.

„Aufgrund der großen Umweltbelastung durch Nitrit und Nitrat ist es wichtig zu wissen, wie Bakterien mit diesen Substanzen umgehen, um von den Prozessen zu lernen“, betont auch Barends. Wegen ihrer Eigenschaften werden Anammox-Bakterien zunehmend zur Reinigung von Abwässern in Klärwerken eingesetzt. Die Funktionsweise besser zu verstehen, könnte zu einem effizienteren Einsatz führen.