Anaerobe Mikroorganismen leben unter extremen Bedingungen: hohe Salzkonzentrationen, extreme Temperaturen und kein Sauerstoff. Solche Habitate finden sich nicht nur in Vulkanseen oder unterirdischen Sedimenten, sondern auch in den Salzwiesen der deutschen Nordseeküste. Dort nutzen methanogene Archaeen Wasserstoff (H2) oder Ameisensäure als Elektronenquelle, um Kohlendioxid (CO₂) zu Methan (CH4) zu reduzieren. Methan ist ein starkes Treibhausgas und trägt wesentlich zur globalen Erwärmung bei. Deshalb ist das Verständnis der biologischen CH4-Produktion – der Methanogenese – für die Erforschung globaler Kohlenstoffkreisläufe besonders wichtig.
Ein Team der Universitäten Marburg und Potsdam hat nun eines der größten bislang bekannten Metallenzyme charakterisiert: den Heterodisulfid-Reduktase-Superkomplex. Diese molekulare Maschine besitzt einen Durchmesser von rund 50 Nanometer - und ist damit in etwa so groß wie ein Virus. Der Komplex umfasst mehr als 250 Proteinmoleküle und über 600 Metallverbindungen („Kofaktoren“). Er verbindet den ersten und den letzten Schritt der Methanogenese, also die Reduktion von CO2 mit der Regeneration von Heterodisulfid, eine Schwefelverbindung, die bei der CH4-Produktion entsteht und für den Energiestoffwechsel von Mikroorganismen wichtig ist. Die Vielzahl der Proteinmoleküle und die räumliche Anordnung der metallischen Kofaktoren ermöglichen einen effizienten Elektronentransfer, sodass viele Reaktionen gleichzeitig ablaufen können.
Mithilfe kryogener Elektronenmikroskopie und Infrarotspektroskopie entschlüsselte das Team die Struktur des Komplexes und wies die funktionelle Kopplung der Proteinmoleküle nach. „Wir haben beobachtet, dass die Reduktion von CO2 ausschließlich in Gegenwart von H2 und Heterodisulfid stattfindet“, betont Max Klamke, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Dr. Sven Stripp an der Universität Potsdam. Zusätzlich zur Analyse isolierter Komplexe untersuchte die Arbeitsgruppe von Prof. Jan Schuller die Enzyme mithilfe kryogener Elektronentomographie. „Diese Daten zeigen, dass die Superkomplexe in den Zellen in hoher Dichte vorkommen und dort vermutlich eine zentrale Rolle für den Elektronenfluss und die Energiespeicherung während der Methanogenese spielen“, erläutert Sophia Paul, Doktorandin im Arbeitskreis von Prof. Jan Schuller an der Universität Marburg.
Link zur Publikation: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10744-9
Weitere Informationen zur Arbeitsgruppe von PD Dr. habil. Sven T. Stripp: https://www.uni-potsdam.de/de/specbiocat/sven-t-stripp