Stickstoffkreislauf und die Rolle von Mikroorganismen
Stickstoff ist ein essenzieller Bestandteil aller Biomoleküle und somit für sämtliche Organismen von Bedeutung. Einige Mikroorganismen haben sich darauf spezialisiert, verschiedene Stickstoffverbindungen als Energiequelle für ihr Wachstum zu nutzen. Besonders ausgeprägt ist dies bei anaeroben Ammoniumoxidierern. Diese Bakterien benötigen für ihren Stoffwechsel keinen Sauerstoff und wandeln Ammonium und Nitrit zu Stickstoffgas um, welches etwa 80 Prozent der Erdatmosphäre ausmacht.
Rolle bei der Stickstoffentgiftung
Durch diese Reaktion tragen die Mikroorganismen maßgeblich zur Entgiftung von Stickstoffverbindungen bei, die beispielsweise durch den Einsatz von Düngemitteln vermehrt in die Umwelt gelangen. Die Forscher entdeckten in diesen Bakterien ein ungewöhnliches Protein. Es ähnelt zur Hälfte bekannten Transportproteinen für Ammoniumionen, besitzt jedoch zusätzlich ein zweites Modul, das zu den signalübertragenden Proteinen gehört. Dies führte zu der Annahme, dass hier zwei bereits in der Natur vorhandene Bausteine modular kombiniert wurden, um eine neue Funktionalität zu ermöglichen: das Aufspüren von Ammonium in der Umgebung und die Weitergabe dieser Information innerhalb zellulärer Signalnetzwerke.
Funktionelle und strukturelle Charakterisierung
Das Forschungsteam führte eine umfassende funktionelle und strukturelle Charakterisierung des Sensorproteins durch. Daran waren auch Arbeitsgruppen des Universitätsklinikums Freiburg, der Universität Nijmegen/Niederlande, der Russischen Akademie der Wissenschaften und des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie (EMBL) in Hamburg beteiligt. Die ursprüngliche Annahme bestätigte sich: Auf Basis eines Transportproteins für Ammonium entwickelte sich im Laufe der Evolution eine neue Erkennungsstelle für die Ionen. Deren Besetzung führt zu einer geringfügigen Bewegung, die an das Signalmodul weitergeleitet wird.
Diese modulare Kopplung eröffnet die Möglichkeit, das Erkennungsmodul für Ammonium auch an andere Signaleinheiten zu koppeln und so neue Funktionalitäten zu schaffen. Susana Andrade leitet die Arbeitsgruppe Molekulare Biophysik am Institut für Biochemie der Fakultät für Chemie und Pharmazie der Albert-Ludwigs-Universität und ist assoziiertes Mitglied des Freiburger Exzellenzclusters BIOSS – Centre for Biological Signalling Studies. Dr. Tobias Pflüger, Erstautor der Veröffentlichung, promovierte in Andrades Arbeitsgruppe an der Fakultät.
Originalpublikation
Tobias Pflüger, Camila Hernández, Philipp Lewe, Fabian Frank, Haydyn Mertens, Dmitri Svergun, Manfred W. Baumstark, Vladimir Y. Lunin, Mike S.M. Jetten & Susana L.A. Andrade. 2018. Signaling Ammonium across Membranes through an Ammonium Sensor Histidine Kinase. Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-017-02637-3.