{"id":90111,"date":"2021-05-04T07:26:00","date_gmt":"2021-05-04T05:26:00","guid":{"rendered":"https:\/\/news.bio-based.eu\/?p=87698"},"modified":"2021-06-18T19:36:57","modified_gmt":"2021-06-18T17:36:57","slug":"wissenschaftler-liefern-neue-erkenntnisse-zum-citratzyklus","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wissenschaftler-liefern-neue-erkenntnisse-zum-citratzyklus\/","title":{"rendered":"Wissenschaftler liefern neue Erkenntnisse zum Citratzyklus"},"content":{"rendered":"
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Lydia Steffens und Eugenio Pettinato (WWU M\u00fcnster, links) sowie Thomas M. Steiner (TUM, rechts) im Labor; die drei Promovierenden teilen sich die Erstautorenschaft der Nature-Publikation. In der Mitte ist eine Fermenter-Anlage zur Bakterienanzucht zu sehen. \u00a9 AG Berg\/AG Eisenreich<\/figcaption><\/figure>\n

Der Citratzyklus ist ein wichtiger Stoffwechselweg, der es vielen Mikroorganismen, aber auch h\u00f6heren Lebewesen erm\u00f6glicht, durch den Abbau organischer Stoffe zu Kohlenstoffdioxid (CO2<\/sub>) Energie zu gewinnen. Normalerweise sorgt der Biokatalysator Citratsynthase f\u00fcr den ersten, namensgebenden Schritt im Citratzyklus: den Aufbau von Citrat. Bestimmte Bakterien sind zudem in der Lage, bei Abwesenheit von Sauerstoff (\u201eanaerob\u201c) durch den sogenannten reduktiven Citratzyklus umgekehrt Biomasse aus CO2<\/sub> aufzubauen \u2013 \u00e4hnlich wie Pflanzen bei der Photosynthese.<\/strong><\/p>\n

Im reduktiven Citratzyklus dieser anaeroben Bakterien wird die Citratsynthase durch das ATP-verbrauchende Enzym Citratlyase ersetzt, um das Citrat zu spalten, statt es aufzubauen; ATP (Adenosintriphosphat) ist der universelle Energietr\u00e4ger lebender Zellen.<\/p>\n

Vor wenigen Jahren entdeckte ein Forscherteam um den Biologen Prof. Dr. Ivan Berg (Westf\u00e4lische Wilhelms-Universit\u00e4t (WWU) M\u00fcnster) und Prof. Dr. Wolfgang Eisenreich (Technische Universit\u00e4t M\u00fcnchen (TUM)), dass die Citratsynthase in manchen anaeroben Bakterien auch ohne ATP-Verbrauch die Citratspaltung katalysiert. Nun hat das Team um die beiden Professoren abermals neue Erkenntnisse zu diesem Stoffwechselweg: Bakterien, die den Citratzyklus mittels der Citratsynthase \u201er\u00fcckw\u00e4rts\u201c nutzen k\u00f6nnen, ben\u00f6tigen dazu eine sehr hohe Konzentrationen des Enzyms und von CO2<\/sub>.<\/p>\n

Im Vergleich: W\u00e4hrend die CO2<\/sub>-Konzentration in der Luft ungef\u00e4hr 0,04 Prozent betr\u00e4gt, brauchen die Bakterien mit diesem Weg f\u00fcr ihr Wachstum mindestens die 100-fache Konzentration. Die Forscherinnen und Forscher vermuten: Solche CO2<\/sub>-konzentrationsabh\u00e4ngigen Wege f\u00fcr die Assimilation von Kohlenstoffdioxid waren auf der Ur-Erde weitverbreitet, da die CO2<\/sub>-Konzentration damals sehr hoch war. Der Stoffwechselweg ist also m\u00f6glicherweise ein Relikt aus der fr\u00fchen Entwicklung des Lebens. Die Ergebnisse der Studie sind nun in der Fachzeitschrift \u201eNature\u201c ver\u00f6ffentlicht (online vorab).<\/p>\n

Das Team untersuchte die anaeroben Bakterien Hippea maritima<\/em> und Desulfurella acetivorans.<\/em> Diese Organismen leben ohne Sauerstoff unter anderem an hei\u00dfen Quellen, wo die CO\u2082-Konzentration 90 Prozent und h\u00f6her sein kann. \u201eEs ist vorstellbar, dass noch viele andere Organismen diesen Zyklus zur CO2<\/sub>-Fixierung nutzen\u201c, sagt Ivan Berg. \u201eUnsere Erkenntnisse passen zu den Ergebnissen anderer aktueller Studien, die die potenzielle weitere Verbreitung des reversen oxidativen Citratzyklus hervorheben.\u201c Viele Bakterien nutzen jedoch andere, energetisch weniger effiziente Reaktionen f\u00fcr die Citratspaltung durch die ATP-verbrauchende Citratlyase-Reaktion. \u201eEs war r\u00e4tselhalft, warum diese \u201ateure\u2018 Version des Weges in der Natur zu finden ist, wenn im Hinblick auf die Energiebilanz eine viel g\u00fcnstigere Alternative \u00fcber die R\u00fcckreaktion der Citratsynthase existiert. Jetzt wissen wir, dass dies der f\u00fcr gew\u00f6hnlich niedrigen CO2<\/sub>-Konzentration in der Umgebung geschuldet ist. Die g\u00fcnstige Alternative funktioniert dort nicht\u201c, unterstreicht Wolfgang Eisenreich.<\/p>\n

Die Erkenntnisse der Wissenschaftler k\u00f6nnten auch f\u00fcr die Biotechnologie interessant sein. Das Wissen \u00fcber die CO2<\/sub>-Konzentrationsabh\u00e4ngigkeit kann genutzt werden, wenn autotrophe Organismen mit dem \u201eR\u00fcckw\u00e4rts-Zyklus\u201c durch die h\u00f6here CO2<\/sub>-Konzentration dazu gebracht werden, einen Ausgangsstoff effektiver in das gew\u00fcnschte Produkt umzuwandeln.<\/p>\n

Die Ergebnisse im Detail<\/h3>\n

Die Frage der Forscher lautete: Wodurch wird bestimmt, ob der Citratzyklus bei den untersuchten Bakterien \u201evorw\u00e4rts\u201c oder \u201er\u00fcckw\u00e4rts\u201c l\u00e4uft? Sie z\u00fcchteten die Bakterien unter verschiedenen Bedingungen und merkten, dass das Wachstum dieser Organismen stark von der CO2<\/sub>-Konzentration abh\u00e4ngig ist. Im Detail hei\u00dft das: Die hohe CO2<\/sub>-Konzentration ist notwendig, damit ein weiteres wichtiges Enzym, die sogenannte Pyruvatsynthase, arbeiten kann. Dieses Enzym ist f\u00fcr die Assimilation von Acetyl-CoA (Produkt des \u201eR\u00fcckw\u00e4rts-Zyklus\u201c) verantwortlich. Die hohe CO2<\/sub>-Konzentration treibt die Pyruvatsynthase in Richtung der Carboxylierung. Dadurch wird der Citratzyklus in die R\u00fcckw\u00e4rtsrichtung getrieben und erm\u00f6glicht die Umwandlung von CO2<\/sub> in Biomasse.<\/p>\n

Die von den Wissenschaftlern verwendeten Bakterien Hippea maritima<\/em> und Desulfurella acetivorans<\/em> konnten sehr gut mit 20 und 40 Prozent CO2<\/sub> wachsen, nur noch moderat mit f\u00fcnf Prozent. Mit zwei und einem Prozent CO2<\/sub> war kein Wachstum mehr m\u00f6glich. Zur Kontrolle nutzten sie das Bakterium Desulfobacter hydrogenophilus, das die andere, energetisch teurere Version des Citratzyklus in reduktiver Richtung verwendet. In diesem Bakterium wurde das Wachstum durch die CO2<\/sub>-Konzentration nicht beeinflusst.<\/p>\n

Der \u201eR\u00fcckw\u00e4rts-Zyklus\u201c unter Beteiligung von Citratsynthase ist bioinformatisch nicht vorhersagbar, da es keine Schl\u00fcsselenzyme gibt, wonach man in den Bakterien suchen kann und deren Pr\u00e4senz man als Indiz f\u00fcr den Weg betrachten kann. Die Forscher nutzten daher die nachgewiesenen hohen Mengen an der Citratsynthase im Proteincocktail der Bakterien als Erkennungsmerkmal f\u00fcr bioinformatische Analysen. Ihnen gelang es mit einem speziellen Analyse-Werkzeug, Vorhersagen \u00fcber die Produktion einzelner Proteine zu machen und so bei vielen anaeroben Organismen vorherzusagen, ob gro\u00dfe Mengen an Citratsynthase gebildet werden und sie dadurch den \u201eR\u00fcckw\u00e4rts-Zyklus\u201c zur autotrophen (Biomasse aufbauenden) CO2<\/sub>-Fixierung nutzen k\u00f6nnten oder nicht.<\/p>\n

Die Wissenschaftler zeigten auch, dass keine Genregulation f\u00fcr das Umschalten von der oxidativen (\u201evorw\u00e4rts\u201c) zur reduktiven (\u201er\u00fcckw\u00e4rts\u201c) Richtung notwendig ist. \u201eDas hei\u00dft, die Zellen k\u00f6nnen spontan sehr schnell reagieren, je nachdem, welche Kohlenstoffquelle gerade in ihrer Umgebung vorhanden ist\u201c, sagt Ivan Berg. \u201eEntweder sie nutzen die reduktive Richtung, um CO2<\/sub> zu fixieren, wenn viel CO2<\/sub> vorhanden ist, oder die oxidative Richtung, wenn eine andere Kohlenstoffquelle zur Verf\u00fcgung steht.\u201c<\/p>\n

Hinweise zur Methodik<\/h3>\n

F\u00fcr ihre Untersuchungen setzten die Wissenschaftler verschiedene Methoden ein, darunter Massenspektrometrie und Isotopenanalysen (13C), Enzymmessungen, Proteinquantifizierung sowie Medien- und Aminos\u00e4ureanalysen mittels chromatographischer und spektrometrischer Verfahren (LC\/MS beziehungsweise GC\/MS). Mit bioinformatischen Methoden untersuchten sie das Vorkommen bestimmter Nukleotidbasen-Kombinationen (Codons), um Vorhersagen \u00fcber die Produktion einzelner Proteine zu machen.<\/p>\n

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F\u00f6rderung<\/h3>\n

Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, Projekt-ID BE 4822\/5-1 und Projekt-ID 364653263 \u2013 TRR 235) sowie von der Hans-Fischer Gesellschaft (M\u00fcnchen) finanziell gef\u00f6rdert.<\/p>\n

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Originalver\u00f6ffentlichung<\/h3>\n

Lydia Steffens, Eugenio Pettinato, Thomas M. Steiner, Achim Mall, Simone K\u00f6nig, Wolfgang Eisenreich und Ivan A. Berg: High CO2<\/sub> levels drive the TCA cycle backwards towards autotrophy. Nature 2021; DOI: 10.1038\/s41586-021-03456-9<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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