Kryo-Elektronenmikroskopie – Reaktionszyklus eines Enzyms zur CO2-Fixierung entschlüsselt
Bevor in der Erdgeschichte die Photosynthese einsetzte und sich Sauerstoff in der Atmosphäre anreicherte, lebten hier im Wesentlichen anaerobe Mikroorganismen, die für ihren Stoffwechsel keinen Sauerstoff benötigen. Die anaerobe Kohlenstofffixierung gilt als einer der ältesten und effizientesten Prozesse dieser Art und spielt auch in modernen Ökosystemen eine zentrale Rolle – so zum Beispiel in vulkanischen Sümpfen oder im tierischen Verdauungstrakt. Der dafür essenzielle Enzymkomplex Kohlenmonoxid-Dehydrogenase/Acetyl-CoA-Synthase (CODH/ACS) ist in Mikroorganismen seit über 3,5 Milliarden Jahren erhalten geblieben.
Die Katalyse, also die Beschleunigung chemischer Prozesse der CODH/ACS, basiert auf verschiedenen Nickel-Eisen-Metallclustern, die Kohlendioxid in mehreren Reaktionsschritten zu dem wichtigen Biomolekül Acetyl-Coenzym A umwandeln. Die Effizienz dieser Reaktion macht die CODH/ACS zu einem vielversprechenden Enzymkandidaten für die Biokraftstoffproduktion aus Kohlendioxid. Forschende der Universität Potsdam und der Humboldt-Universität zu Berlin haben nun erstmals hochauflösende Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) angewendet, um den katalytischen Zyklus der CODH/ACS aufzuklären. Die Kryo-EM hat ein breites Anwendungsspektrum und kann zur Strukturanalyse verschiedener Enzyme und Biopolymere eingesetzt werden.
„Unsere Kryo-EM-Karten von sechs Zwischenzuständen der CODH/ACS sind so hoch aufgelöst, dass die an das Metallzentrum gebundenen Moleküle eindeutig mit den Bewegungen des Proteins korreliert werden können“, sagt der Erstautor der Studie, Jakob Ruickoldt. „Bislang wurden die verschiedenen Bindungszustände von CODH/ACS noch nicht mittels Kryo-EM untersucht“, so Petra Wendler. „Durch den Einsatz dieser Methode haben wir herausgefunden, wie die Bindung der verschiedenen Moleküle das aktive Zentrum für den nächsten Reaktionsschritt vorbereitet und so Nebenreaktionen und den Verlust von wertvollen Reaktionszwischenstufen verhindert. Dieses Wissen wird helfen, die Katalyse des uralten Enzymkomplexes für die biotechnologische Kohlenstofffixierung zu nutzen. “
Link zur Publikation: Ruickoldt et al., 2025, Ligand binding to a Ni-Fe cluster orchestrates conformational changes of the CO-methylating acetyl-CoA synthase, Nature Catalysis, https://www.nature.com/articles/s41929-025 – 01365‑y