Frühes Leben – Enzym für die biologische Erzeugung von Methan entschlüsselt

Methan (CH₄) ist zwar ein starkes Treibhausgas, das zum Klimawandel beiträgt, doch die biologische Umwandlung von CO₂ nach Methan ist auch eine vielversprechende erneuerbare Energiequelle. Ein Verständnis der grundlegenden Mechanismen der Methanbildung könnte zu Fortschritten bei nachhaltigen Energietechnologien und beim Umweltschutz führen.

Herzstück der biologischen Erzeugung von Methan – der Methanogenese – ist das Enzym MCR, das mit F₄₃₀ einen einzigartigen Nickel-Komplex enthält. Um die Methanproduktion zu katalysieren, muss F₄₃₀ reduziert werden, was eine der schwierigsten Redoxreaktionen in der Natur darstellt. Es blieb lange Zeit eine offene Frage, wie frühe Lebensformen stark reduzierende Elektronen in das Enzym leiten konnten.

In ihrer Studie gelang es dem Forscherteam, den MCR-Aktivierungskomplex aus dem Modell-Archaeon Methanococcus maripaludis zu isolieren und zu charakterisieren. Methanogene Archaeen sind Mikroorganismen, die seit Milliarden von Jahren existieren und jährlich bis zu einer Milliarde Tonnen Methan produzieren. Die neue Elektronenmikroskopie-Struktur suggeriert nun, dass der MCR-Aktivierungskomplex drei einzigartig koordinierte und hochspezialisierte Redox-Cofaktoren enthält, von denen man bisher annahm, dass sie ausschließlich in der Nitrogenase vorkommen – einem Enzymkomplex, der für die Stickstoff-Fixierung in Lebewesen verantwortlich ist. „Die Spektroskopie lieferte den letzten Beweis dafür, dass die Cofaktoren aus Eisen und Schwefel bestehen“, erklärt Sven T. Stripp, Co-Autor von der Universität Potsdam. Jan Schuller, leitender Autor der Studie, fügt hinzu: „Diese auffallende Ähnlichkeit deutet darauf hin, dass die Systeme, obwohl sie völlig unterschiedliche Funktionen erfüllen, evolutionär miteinander verwandt sind.“ Er schlussfolgert: „Letztlich stellt unsere Studie eine noch nie dagewesene evolutionäre Verbindung zwischen zwei grundlegenden biologischen Prozessen her: Methanogenese und Stickstoff-Fixierung.“

Die Methanogenese geht auf die früheste Geschichte des Lebens auf der Erde zurück, evolutionär sogar vor Einsetzen der Photosynthese. Sie ist nicht nur für Methanemissionen verantwortlich, sondern bildet auch die Grundlage für andere lebenswichtige Stoffwechselnetzwerke. Ein tieferes Verständnis dieser frühen biochemischen Mechanismen bereichert sowohl unser grundlegendes Wissen über die Entwicklung von Molekülen als auch ihre möglichen biotechnologischen Anwendungen, welche letztlich darauf abzielen, die Methanemissionen zu verringern.

Abbildung 1: Teamfoto (2.v.l.: Sven T. Stripp). Bild: Tomas Pascoa

Abbildung 2: Elektronenmikroskopie-Struktur vom MCR-Aktivierungskomplex mit drei neuartigen Eisen-Schwefel-Cofaktoren (FeS). Bild: Sven T. Stripp

Link zur Publikation: Fidel Ramírez-Amador, Sophia Paul, Anuj Kumar et al. Sven T. Stripp & Jan M. Schuller, Structure of the ATP driven Methyl-coenzyme M reductase activation complex. Nature (2025). https://www.nature.com/articles/s41586-025-08890-7

Link zur Pressemeldung der Phillips-Universität Marburg:https://www.uni-marburg.de/de/aktuelles/news/2025/methan25

Kontakt:

Dr. Sven T. Stripp

Institut für Chemie, Universität Potsdam

E-Mail: sven.strippuuni-potsdampde

Tel.: 0331 977-5236