Nitrogenasen gelten als vielversprechende Kandidaten für die nachhaltige
enzymatische Produktion von Ammoniak und Kohlenstoffverbindungen. Leider
blieb ein Engpass des komplexen Prozesses, die Versorgung der Enzyme mit
Elektronen, bislang rätselhaft. Nun hat ein Team um Dr.Johannes Rebelein
vom Max-Planck Institut in Marburg entdeckt, welche Proteine maßgeblich
die Leistung der Eisen (Fe)-Nitrogenase bestimmen.

Nitrogenasen werden in mehreren industriellen Herstellungsverfahren als
Katalysatoren eingesetzt. Die wichtigste ist die chemische Fixierung und
Umwandlung von elementarem Stickstoff (N2) in Ammoniak, dem
Hauptbestandteil von Düngemitteln. Deren industrielle Produktion erfolgt
derzeit über das umweltschädliche Haber-Bosch-Verfahren. Enzymatisch und
nachhaltig produzierte Düngemittel könnten circa ein Prozent der global
verbrauchten Energie und des damit verbundenen freigesetzten CO2
einsparen, weshalb sich viele Forschungslabors und Start-up Firmen mit
diesem Thema beschäftigen. Eine herausfordernde Aufgabe, da Nitrogenasen
hochkomplexe Metalloenzyme und viele Aspekte ihrer Katalyse noch nicht
ausreichend verstanden sind.

Eisen (Fe)- Nitrogenase fixiert nicht nur Stickstoff, sondern auch CO2

Nun haben Forschende um Dr. Johannes Rebelein am Max-Planck-Institut für
terrestrische Mikrobiologie in Marburg erste Einblicke in die
Energieversorgung des Enzymkomplexes, erhalten, genauer gesagt: seine
Versorgung mit Elektronen. Die Ergebnisse liefern einen wichtigen Ansatz
zur Entwicklung und Optimierung solcher Biokatalysatoren. Das ist nicht
nur im Hinblick auf die industrielle Stickstoff-Fixierung von Bedeutung,
sondern auch für die Nutzung von CO2 als Wertstoff. Denn dasselbe Team
konnte kürzlich zeigen, dass die Fe-Nitrogenase auch zur Umwandlung von
CO2 fähig ist. Ausgerechnet diese Nitrogenase-Form ist bislang wenig
untersucht, vor allem im Hinblick auf den Elektronentransport.

Das Forschungsteam charakterisierten den Elektronentransport zur Eisen
(Fe)-Nitrogenase in dem Modellbakterium Rhodobacter capsulatus und zeigte,
dass zwei verschiedene Elektronentransportproteine, Ferredoxine genannt,
für die Stickstoff-Fixierung essenziell sind.

Der Energie-Engpass eröffnet neue Ansätze für die Optimierung

„Wir wollten herausfinden, welche Ferredoxine entscheidend sind. Da alle
Zellen mehrere Ferredoxine beherbergen, wobei unser Modellbakterium
Rhodobacter capsulatus sieben verschiedene Ferredoxine produziert, wollten
wir auch herausfinden, ob mehrere dieser Ferredoxine dieselbe Aufgabe
übernehmen können - oder ob sie jeweils spezifisch sind", erklärt
Erstautorin Holly Addison. "Wenn wir eines der Ferredoxine ausschalteten,
konnte das andere seine Funktion nicht übernehmen. Daraus schlossen wir,
dass diese beiden unverzichtbaren Ferredoxine unterschiedliche Aufgaben in
der Stickstoff-Fixierung erfüllen.“

Die Versorgung mit Elektronen gilt als ein Engpass der
Nitrogenasekatalyse. Mit den beiden Ferredoxinen haben die Forschenden nun
klare Ziele identifiziert, um auf den Elektronenfluss und damit die
Leistung der Biokatalyse einzuwirken.

"Unsere Ergebnisse sind eine wichtige Voraussetzung für die Optimierung
von R. capsulatus als Modellsystem für die verbesserte Umwandlung von
Stickstoff oder CO2 durch Biokatalysatoren zu Ammoniak, bzw. kurzkettigen
Kohlenwasserstoffen", ergänzt Johannes Rebelein. „Nun geht es darum, die
Nitrogenase und die am Prozess beteiligten Proteine weiter zu erforschen,
um unser Verständnis zu erweitern und neue Ansätze für die industrielle
Produktion zu entwickeln.“

Die nächsten Schritte des Projekts werden sich darauf konzentrieren,
einerseits die Rolle der Ferredoxine noch besser zu verstehen,
andererseits Methoden der synthetischen Biologie einzusetzen, um sie zu
verändern - und durch die leichtere Bereitstellung von Elektronen die
Nitrogenasen zu beschleunigen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Johannes Rebelein
Forschungsgruppenleiter +49 6421 178-190 johannes.rebelein@...
Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, Marburg

Originalpublikation:
Addison,  H.; Glatter, T.; Hochberg, K. A.; Rebelein, J. G.
Two distinct ferredoxins are essential for nitrogen fixation by the iron
nitrogenase in Rhodobacter capsulatus
2024 Feb 20:e0331423

doi: 10.1128/mbio.03314-23

Güterverkehrskonzept Bayern: Verkehrsträger besser untereinander vernetzen

„Überall, einfach, digital und modern“ – wenn es nach dem bayerischen
Staatsminister für Wohnen, Bau und Verkehr Christian Bernreiter geht, dann
soll so die Zukunft des Güterverkehrs in Bayern aussehen. Um für kommende
Herausforderungen gerüstet zu sein, stellte der Staatsminister in München
im Beisein von Vertretern der Logistikbranche das „Güterverkehrskonzept
Bayern“ vor. Das Konzept beruht auf der Arbeit eines Gremiums, das in
München durch Prof. Dr. Ulrich Müller-Steinfahrt von der Technischen
Hochschule Würzburg-Schweinfurt (THWS) vertreten wurde.

Zukunftsfähigkeit des Güterverkehrs sichern

Das 28-seitige Dokument ist in die drei Handlungsfelder aufgeteilt: „Netz
und Verflechtung“, „Neue Technologien“ und „Qualifizierung und
Nachwuchsgewinnung“. Darin stecken insgesamt 630 Ideen, aus denen 300
Maßnahmen herausgearbeitet wurden, die wiederum zu 123 Handlungsoptionen
führen. Das Ziel der Maßnahmen besteht darin, die Verkehrsträger Straße,
Schiene und Wasser besser miteinander zu vernetzen, über Digitalisierung,
Standardisierung und eine gute Datengrundlage alle relevanten Akteure
zusammenzubringen und qualifizierte Ansprechpersonen und Fachkräfte
auszubilden.

Der besondere Fokus liegt dabei darauf, den Güterverkehr zukunftsfähig und
nachhaltig zu gestalten. Prof. Dr. Müller-Steinfahrt, der Leiter des
Instituts für Angewandte Logistik (IAL) sowie Nachhaltigkeitsbeauftragter
an der THWS ist und an der THWS Business School (vormals Fakultät
Wirtschaftswissenschaften) lehrt, verbindet somit die Sicht der Logistik
mit der ökologischen und ökonomischen Perspektive. Er lobte außerdem die
gute Zusammenarbeit aller Beteiligten bei der Erstellung des neuen
Konzepts: „In zahlreichen Workshops mit über 160 Teilnehmenden, bestehend
aus Kommunen, Handelskammern und Unternehmen, wurden die Maßnahmen
entwickelt.“ Besonders hervorzuheben sei, dass rund 60 Prozent der
Teilnehmenden aus der Logistikbranche kamen und damit ausreichend
praxisrelevante Expertise beisteuerten.

Prof. Dr. Müller-Steinfahrt und das IAL-Team waren vor allem für die
Entwicklung der City- und Landlogistik-Maßnahmen verantwortlich. Auf
diesem Gebiet entwickelt das IAL bereits seit über 15 Jahren
anwendungsorientierte Lösungen für Bayern und ganz Deutschland, um Städte
und Kommunen zukunftsorientiert zu entwickeln und so die Lebensqualität
der dort ansässigen Menschen zu erhöhen. Im eigens aufgebauten IAL-
Kompetenzzentrum befindet sich zudem eine Datenbank mit City- und
Landlogistikprojekten in ganz Europa.

Schritt in die richtige Richtung

Als Schritt in die richtige Richtung lobten auch die beiden Logistik-
Branchenverbände LBS (Landesverband Bayerischer Spediteure e. V.) und LBT
(Landesverband Bayerischer Transport- und Logistikunternehmen e. V.),
vertreten durch Sabine Lehmann und Stefan Doppelhammer, das Konzept.