Forschungsdurchbruch: Schlüsselenzym für nachhaltige Methanproduktion entschlüsselt!

Potsdam, Deutschland - Forschende des Zentrums für Synthetische Mikrobiologie (SYNMIKRO) der Philipps-Universität Marburg und der Universität Potsdam haben einen bedeutenden Durchbruch im Verständnis der Methyl-Coenzym-M-Reduktase (MCR) erzielt, einem Enzym, das für fast die gesamte biologische Methanproduktion verantwortlich ist. Diese Entdeckung, die am 17. April 2025 bekannt gegeben wurde, könnte wichtige Fortschritte in nachhaltigen Energietechnologien und im Umweltschutz fördern, da Methan als starkes Treibhausgas gilt, aber auch als potenzielle erneuerbare Energiequelle betrachtet wird. Laut Uni-Potsdam zeigen die neuen Erkenntnisse eine evolutionäre Verbindung zwischen der Methanproduktion und der Stickstoff-Fixierung.

Die MCR ist eines der häufigsten Enzyme auf der Erde und spielt eine zentrale Rolle im Methanogenese-Prozess, das heißt, bei der biologischen Umwandlung von CO2 in Methan. Mit der Isolation und Charakterisierung des MCR-Aktivierungskomplexes aus dem Modell-Archaeon Methanococcus maripaludis haben die Forschenden einen Beitrag zur Entschlüsselung dieser komplexen biochemischen Reaktionen geleistet. Der MCR-Aktivierungskomplex enthält einen einzigartigen Nickel-Komplex namens F430, dessen Reduktion als eine der schwierigsten Redoxreaktionen in der Natur gilt.

Evolutionäre Perspektiven auf die Methanogenese

Die neue Struktur des Enzyms zeigt, dass der MCR-Aktivierungskomplex drei hochspezialisierte Redox-Cofaktoren enthält, die zuvor nur in der Nitrogenase bekannt waren und aus Eisen und Schwefel bestehen. Diese Ähnlichkeit zwischen den Systemen deutet auf eine evolutionäre Verwandtschaft hin und belegt, dass die Methanogenese ein sehr alter biologischer Prozess ist, der bereits vor der Photosynthese existierte. Es wird angenommen, dass dieses Wissen zur Entwicklung biotechnologischer Anwendungen beitragen könnte, die zur Verringerung von Methanemissionen und damit zu einem Umweltschutz beitragen können.

Zusätzlich wird in der Literatur aufgeführt, dass MCR die letzte Stufe der Methanbildung bei Methanogenen katalysiert sowie den ersten Schritt der Methanaktivierung bei anaeroben methanotrophen Archaeen (ANME). Diese Enzyme sind in einer Vielzahl anaerober Umgebungen verbreitet und produzieren jährlich bis zu einer Milliarde Tonnen Methan, was die enorme Bedeutung von MCR für das Klima und die Umwelt verdeutlicht. PMC hebt hervor, dass die Aktivitätsmuster und post-translationalen Modifikationen des Enzyms variieren können, was auf adaptative Mechanismen verschiedener Organismen hinweist.

Biotechnologische Anwendungen und Fortschritte

Angesichts der Herausforderungen, die die Reduzierung von Methanemissionen mit sich bringt, gibt es ein zunehmendes Interesse an der Verwendung von MCR in biotechnologischen Prozessen. Verschiedene Studien, wie die von AMB Express, untersuchen die Möglichkeiten, hybride Systeme zu entwickeln, die die Biogasproduktion durch mikrobiellen Elektronentransfer und andere moderne Technologien optimieren.

Insgesamt sind diese Forschungsergebnisse nicht nur grundlegend für das Verständnis der Methanproduktion, sondern bieten auch wertvolle Einblicke in die Evolutionsgeschichte von Mikroben und deren metabolischen Fähigkeiten. Dieses Wissen könnte entscheidend dazu beitragen, neue, innovative Lösungen zur Verringerung von Treibhausgasemissionen und zur Förderung nachhaltiger Energiesysteme zu entwickeln.