Biologische Stickstofffixierung nahe dem Siedepunkt Erstaunliche Nitrogenase: Ammoniak-Synthese bei 90 °C plus

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Forschende haben aus der Tiefsee ein stickstofffixierendes Enzym isoliert, das extrem hitzebeständig und möglicherweise sehr alten Ursprungs ist. Das Enzym wandelt Luftstickstoff in Ammoniak um, einen wichtigen Dünger und Biokraftstoff. Das molybdänhaltige Enzym wurde zudem erstmals in einem Übergangszustand eingefangen, welcher bei den Nitrogenasen als universell gilt.

Mikroorganismen sind zu bemerkenswerten Taten fähig – beispielsweise zur Stickstofffixierung, bei der gasförmiger Stickstoff (N₂) in eine Form umgewandelt wird, welchen Lebewesen als Nährstoff nutzen können. Unsere Atmosphäre besteht zwar zu etwa 78 Prozent aus Stickstoffgas. Tiere und Pflanzen können damit aber wenig anfangen. Die beiden Stickstoffatome des Stickstoffgases werden von einem natürlichen Superkleber zusammengehalten: einer chemischen Dreifachbindung.

Wie knackt man eine der stärksten natürlichen Molekül-Bindungen?

Manche Mikroorganismen haben aber eine Superkraft: Sie können diese starke Bindung aufbrechen und so das N₂ in Ammoniak umwandeln und zum Aufbau biologischer Moleküle nutzbar machen. Ein solcher Superheld ist die in der Tiefsee lebende Archaee Methanocaldococcus infernus. Dieser Mikroorganismus ist in vulkanischen Gebieten im Meer zu Hause, wo die Temperaturen ausströmender Flüssigkeiten mehr als 100 °C erreichen können.

Das erregte die Neugier der Forschenden in Tristan Wagners Gruppe am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen. Sie „zähmten“ diese Mikrobe und brachten sie im Labor dazu, sogar bei Temperaturen über 90 °C Stickstoff zu fixieren. „Wie macht sie das, in einer solchen Hitze? Und wie kann das verantwortliche Enzym, das die Dreifachbindung aufbricht, unter diesen Bedingungen funktionieren?“, fragte sich Wagner.

Das Enzym, das die Superkraft zur Stickstofffixierung liefert, heißt Nitrogenase. Es enthält einen sogenannten Metallo-Kofaktor, der äußerst kompliziert ist. Metallo-Kofaktoren sind metallische Helfermoleküle, die an einem Enzym hängen und ohne die es nicht funktioniert. Besonders leistungsfähige und gut untersuchte Nitrogenasen haben einen Metallo-Kofaktor, der Molybdän enthält. Aber es gibt auch solche, die ausschließlich aus Vanadium oder Eisen bestehen. Wie diese verschiedenen Formen miteinander verwandt sind und wie genau ihre Metallkerne ihnen erlauben, die N₂-Dreifachbindung zu knacken, wird zurzeit erforscht.

Eine außergewöhnliche Nitrogenase für extreme Bedingungen

„Die Nitrogenase, die wir in Methanocaldococcus infernus finden, ist bemerkenswert: Sie vereint offenbar die Eigenschaften der Molybdän-, Vanadium- und Eisenformen. Sie könnte einer Ur-Nitrogenase ähneln, aus der sich alle anderen Formen entwickelt haben. Wir könnten aus ihr also grundlegende Funktionsweisen der Nitrogenase-Reaktion ableiten,“ sagt Wagner.

Den Wissenschaftlern gelang es, die Nitrogenase direkt aus dem Mikroorganismus zu isolieren. Sie erwies sich als besonders hitzebeständig und zerfiel erst bei Temperaturen um die 90 °C, Teile davon hielten sogar 98 °C aus.

„Das beweist, dass das Enzym für Bedingungen geschaffen ist, unter denen sich die meisten anderen Proteine wie Eiweiß in kochendem Wasser zersetzen würden“, erklärt Erstautorin Nevena Maslać vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie. „Bei Raumtemperatur ist es nicht aktiv. Wir zeigen, dass es nur bei hohen Temperaturen Ammoniak erzeugt. Da sie so stabil ist, konnten wir diese Nitrogenase auch in Zuständen untersuchen, die üblicherweise nur schwer zu fassen sind.“

Modernste Methoden für eine detaillierte Analyse

Zwar mussten die Forschenden zur Untersuchung der Nitrogenase nicht in die Tiefsee reisen, aber trotzdem war einiger Aufwand erforderlich: eine Kombination aus Methoden der mikrobiellen Physiologie, Enzymreinigung, Biochemie und Strukturbiologie unter strikt sauerstofffreien Bedingungen, um irreversible Schäden an den Metallo-Kofaktoren zu vermeiden.

Dazu wandelten die Forschenden das Enzym in Kristallform um und untersuchten es am Institut de Biologie Structurale in Grenoble, Frankreich, im dortigen Synchrotron – einem ringförmigen Teilchenbeschleuniger mit leistungsstarker Röntgenstrahlung. Zunächst entschlüsselten sie die molekulare Struktur der Nitrogenase. Dabei gelang es ihnen, die einfachste bekannte Nitrogenase in nahezu molekularer Auflösung abzubilden. Sie vereint strukturelle Merkmale von allen drei bekannten Nitrogenase-Familien – der Molybdän-, Vanadium- und Eisen-Nitrogenasen. Das untermauert die Vermutung, dass Ur-Nitrogenasen diesem Archaeen-Enzym ähnlicher waren als den Enzymen von Bakterien. Als Nächstes wollten die Forschenden sicherstellen, dass die Nitrogenase auch wirklich den Molybdän-Kofaktor enthält. „Unsere Suche nach dem Molybdän war technisch extrem fordernd, die Spezialisten am Synchrotron mussten die Möglichkeiten ihres Geräts ganz ausreizen“, so Wagner.

Am Ende lieferte die Messung nicht nur das typische Molybdän-Signal, sondern auch noch eine Überraschung: „Wir erblickten die molybdän-enthaltende Nitrogenase in einem Zustand, der bisher noch nie beobachtet worden war!“ Dieser „Turnover“-Zustand, der vermutlich einen Zwischenschritt der Reaktion darstellt, war bisher nur in Vanadium- und Eisen-Formen beobachtet worden. Dass er offensichtlich auch bei Molybdän-Enzymen auftritt, lässt vermuten, dass Nitrogenase bei der Spaltung von N₂ immer dem gleichen grundlegenden Muster folgt.

Von der Chemie der Tiefsee zur Biotechnologie der Zukunft

Wenn wir die Stickstofffixierung besser verstehen, ist das für viel mehr als nur die Tiefsee bedeutsam. Stickstofffixierende Mikroorganismen, wie M. infernus, machen nicht nur Stickstoff in Form von Ammoniak verfügbar. Vielmehr spielen sie auch eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf der Erde, indem sie die Hälfte des in der Atmosphäre vorkommenden Methans erzeugen. In Zukunft könnte man erforschen, wie diese Organismen dabei helfen können, unter Verwendung von grüner Energie Gase in nützliche Produkte, wie Methan oder Ammoniak, umzuwandeln.

„Und wie wäre es, wenn Nutzpflanzen eines Tages Stickstoff direkt aus der Luft beziehen könnten?“, spekuliert Wagner. Das könnte die Landwirtschaft deutlich unabhängiger von Düngemitteln machen, deren Produktion durch das Haber-Bosch-Verfahren sehr energieaufwendig und mit der Freisetzung vieler Treibhausgase verbunden ist, und deren übermäßiger Einsatz zur Eutrophierung und anderen Umweltproblemen beiträgt. „Vorerst aber liefert diese Untersuchung etwas Grundlegenderes: einen aktualisierten molekularen Einblick in eine der faszinierendsten chemischen Reaktionen der Natur.“

Originalpublikation: Maslać, N., Törer, M.R., Bolte, P. et al. Molecular basis of N₂ fixation in a hyperthermophilic archaeon. Nat Commun 17, 9602 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-77173-0