powered by NachrichtenLexikonProtokolleB�cherForenMittwoch, 23. Juli 2014 Molekularer Mechanismus der anaeroben Ammoniumoxidation gefunden
04.10.2011 - (idw) Max-Planck-Institut f�r marine MikrobiologieDie anaerobe Ammoniumoxidation (Anammox) ist ein wichtiger Stoffwechselweg im Stickstoffkreislauf, der erst in den 1980er Jahren entdeckt wurde. Derzeit sch�tzen die Wissenschaftler, dass etwa 50% des Stickstoffs in der Atmosph�re durch diesen Prozess gebildet wird. Eine Gruppe spezialisierter Bakterien f�hrt die Anammox-Reaktion aus, aber lange tappten die Forscher im Dunklen wie diese Bakterien Ammonium zu Stickstoff unter Ausschluss von Sauerstoff umsetzen. Nun, 25 Jahre nach ihrer Entdeckung, haben sie den molekularen Mechanismus von Anammox endlich entschl�sselt. Dr. Marc Strous, seit 2 Jahren am Max-Planck-Institut f�r Marine Mikrobiologie in Bremen, ist einer der Projektleiter.
Anammox-Bakterien besitzen eine Organelle und sind dahingehend sehr ungew�hnlich, da Organellen gew�hnlich nur bei Eukaryonten vorkommen. In dieser speziellen Organelle, dem so genannten Anamoxosom, findet die Anammox-Reaktion statt. Die Membran des Anammoxosoms sch�tzt die Zellen vermutlich vor den hochreaktiven Zwischenprodukten der Anammox-Reaktion. Diese Zwischenprodukte k�nnten Hydrazin und Hydroxylamin sein, wie Mikrobiologen vor vielen Jahren vorgeschlagen haben. Dies war eine sehr aufregende M�glichkeit, denn niemand hatte bisher zeigen k�nnen, dass Hydrazin, ein sehr starkes Reduktionsmittel, das auch als Raketentreibstoff verwendet wird, als Substrat in biologischen Systemen vorkommt. Diese fr�hen Experimente waren jedoch sehr einfach und konnten viele Fragen nicht beantworten.
Es war ein schwieriges Unterfangen, den Stoffwechselweg experimentell nachzuweisen. Der Projektleiter Marc Strous vom Max-Planck-Institut in Bremen sagt: Die Anammox-Organismen sind schwierig zu kultivieren, denn sie teilen sich nur alle zwei Wochen. Deshalb mussten wir eine Technik entwickeln, die zur Kultivierung von so langsam wachsenden Mikroorganismen geeignet ist. Selbst nach 20j�hrigen Bem�hungen k�nnen wir die Organismen nur in Bioreaktoren kultivieren und das auch nicht in Reinkultur. F�r die Kultivierung der Anammox-Bakterien verwenden die Forscher die neueste Entwicklung auf dem Gebiet der Bioreaktortechnologie: einen Membran-Bioreaktor. In dieser Art Reaktor wachsen die Zellen in einer Suspension anstatt in Oberfl�chen-Biofilmen, und relativ wenige andere Organismen verunreinigen die Kultur. Dies war f�r die Aufreinigung von Proteinen g�nstig, die f�r den experimentellen Teil notwendig war, denn Proteine lassen sich wegen des Schleims, den die Biofilme bilden, nicht gut aus Biofilmen aufreinigen. Um das R�tsel um den Anammox-Stoffwechselweg zu l�sen, konnten die Forscher auf die Genom-Sequenz des bekanntesten Anammox-Bakteriums, Kuenenia stuttgartiensis, zur�ckgreifen. Dies half ihnen zu erkennen, welche Enzyme an der Reaktion beteiligt sein k�nnten. So konnten sie beispielsweise voraussagen, dass m�glicherweise Stickoxid anstelle von Hydroxylamin das Vorg�ngermolek�l von Hydrazin sei. Mit einer Reihe weiterer hochmoderner molekularbiologischer Methoden konnten die Wissenschaftler dem Anammox-Stoffwechselweg auf die Spur zu kommen und die Rolle von Hydrazin und Stickoxid endlich nachweisen.
Wir haben einen gro�en Schritt getan, den Stickstoffkreislauf besser zu verstehen. Jetzt wissen wir endlich, aus was der Stickstoff in der Luft, die wir atmen, gebildet wird: Raketentreibstoff und Stickoxid! fasst Marc Strous die Studie zusammen. Die Entdeckung, dass Stickoxid sowohl bei Anammox als auch bei der Denitrifikation eine wichtige Rolle spielt, l�sst die Entwicklung des Stickstoffkreislaufs in der Erdgeschichte in einem neuen Licht erscheinen. Marc Strous erkl�rt: In der fr�hen Entwicklung der Erde hat sich Stickoxid durch vulkanische Aktivit�t in der Atmosph�re angesammelt. Stickoxid war also vermutlich einer der ersten Elektronenakzeptoren auf der Welt und hat daf�r gesorgt, dass sich die mikrobiellen Stoffwechselwege Anammox und Denitrifikation entwickeln konnten.
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