Stickstofffixierung als Schlüsselprozess im Gartenbau
Pflanzen benötigen für ihr Wachstum neben Kohlenstoff vor allem Stickstoff. Während Kohlenstoff über die Photosynthese aus der Luft aufgenommen wird, steht Stickstoff Pflanzen nur in gebundener Form zur Verfügung. Trotz eines Anteils von rund 80 Prozent in der Atmosphäre ist elementarer Stickstoff für Pflanzen nicht direkt nutzbar. Im Gartenbau wird daher gezielt gedüngt, um die Versorgung mit pflanzenverfügbarem Stickstoff sicherzustellen.
Eine zentrale Rolle übernehmen dabei Mikroorganismen wie Knöllchenbakterien. Sie sind in der Lage, Luftstickstoff mithilfe des Enzyms Nitrogenase in Ammonium umzuwandeln. Dieses kann von Pflanzen direkt aufgenommen und verwertet werden. Ohne diesen biologischen Prozess wäre eine ausreichende Versorgung mit Stickstoff kaum möglich.
Enzym mit doppelter Funktion entdeckt
Forschungsarbeiten von Prof. Dr. Oliver Einsle und Dr. Thomas Spatzal zeigen nun, dass Nitrogenase nicht nur für die Stickstofffixierung relevant ist. Erstmals wurde nachgewiesen, dass das Enzym auch Kohlenstoff mit Wasserstoff verbinden kann. Dabei entstehen Kohlenwasserstoffe, die in ihrer Struktur Biokraftstoffen ähneln.
„Wir wollen die Reaktionen in der Nitrogenase verstehen, um sie in Zukunft biotechnologisch nutzbar zu machen. Derzeit kann die Hälfte der Menschheit nur mit dem Einsatz von Düngemitteln in der Landwirtschaft ernährt werden. Das verbraucht etwa ein Prozent der Weltenergieproduktion“
Die Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für eine nachhaltige Nutzung biologischer Prozesse. Neben der klassischen Rolle in der Nährstoffversorgung könnte Nitrogenase künftig auch für die Energiegewinnung relevant werden.
Einblick in die molekulare Struktur
Im Fokus der Untersuchungen steht das aktive Zentrum des Enzyms, der sogenannte Eisen-Molybdän-Cofaktor (FeMoco). Die Forscher konnten eine detaillierte Kristallstruktur erstellen, die zeigt, wie ein Kohlenmonoxid-Molekül an dieses Metallzentrum bindet. Dabei verdrängt das Molekül ein Schwefelatom, das zuvor diese Position eingenommen hatte.
„Dort verdrängt es unerwarteter Weise ein Schwefelatom, das vorher die gleiche Position in dem Metallzentrum besetzt hatte. Damit ergeben sich erstmals Rückschlüsse darauf, wie das Zentrum mit anderen Molekülen reagiert“
Diese Beobachtung liefert erstmals konkrete Hinweise auf die Funktionsweise des Enzyms bei der Umsetzung verschiedener Moleküle. Eine derartige Umlagerung innerhalb eines biologischen Systems wurde bislang nicht beschrieben.
Brücke zwischen Düngung und Energieproduktion
Bereits seit einigen Jahren ist bekannt, dass Kohlenmonoxid die Aktivität der Nitrogenase beeinflusst und in geringem Umfang in Kohlenwasserstoffe umgewandelt wird. Durch gezielte Experimente konnten die Forscher nun die Bindestelle für CO identifizieren und den zugrunde liegenden Mechanismus aufklären.
Bemerkenswert ist die Parallele zu technischen Verfahren wie der Fischer-Tropsch-Synthese, bei der aus Gasen industrielle Kraftstoffe erzeugt werden. Die Nitrogenase vereint damit zwei zentrale Funktionen: die biologische Stickstofffixierung und eine chemische Reaktion, die für die Herstellung von Treibstoffen relevant ist.
Für den Gartenbau bleibt die Stickstoffversorgung ein zentrales Thema. Gleichzeitig zeigen die aktuellen Forschungsergebnisse, dass biologische Prozesse künftig über die reine Pflanzenernährung hinaus eine Rolle spielen könnten – insbesondere im Kontext nachhaltiger Produktions- und Energiesysteme.