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Schwefel gehört zu den wichtigen Bausteinen von
Biomolekülen. Außerdem können viele Mikroorganismen aus der Umsetzung
von Schwefel die Energie gewinnen, die sie zum Wachstum benötigen. Sie
haben somit einen erheblichen Anteil am weltweiten bio-geochemischen
Schwefelkreislauf. Schwefel ist auch ein wichtiger Bestandteil der
Gase, aus denen heiße vulkanische Quellen geheizt werden. Die
Schwefeloxidation durch die Mikroorganismen führt zur Bildung großer
Mengen an Schwefelsäure - bei Temperaturen von 80 bis 100 °C. Unter
diesen Bedingungen fühlen sich auch die von den Biologen Tim Urich und
Arnulf Kletzin vom Institut für Mikrobiologie und Genetik der TU
Darmstadt untersuchten Objekte am wohlsten.
Die Forscher befassten sich mit der Frage, wie die
Schwefeloxidation von Acidianus ambivalens auf der Ebene der Moleküle
funktioniert, welche Enzyme beteiligt sind und welche Form und Gestalt
sie haben: Der Weg der Schwefeloxidation zu Schwefelsäure erfolgt in
mehreren Schritten. Ein sehr großes Enzym, genannt Schwefeloxygenase/-Reduktase
(SOR), produziert in einer sauerstoffabhängigen Reaktion die
Zwischenprodukte schwefelige Säure und Schwefelwasserstoff aus
Schwefel. Die dreidimensionale Struktur des Enzyms konnten die
Wissenschaftler jetzt aufklären. Die SOR ist aus 24 Kopien derselben
Untereinheit aufgebaut, die zusammen eine große und ästhetisch
ansprechende Hohlkugel mit einem Durchmesser von 15 nm bilden. Das
Innere der Kugel stellt ein einen kleinen, von dem Zellinneren
abgeschotteten Reaktionsraum dar, in dem vermutlich andere Bedingungen
als außerhalb herrschen. Der Schwefel muss in dass Innere der
Hohlkugel gelangen, und von dort aus in kleinere Hohlräume der
einzelnen Untereinheiten, den aktiven Zentren des Enzyms, wo die
Reaktion stattfindet. Hier befindet sich jeweils ein Eisenatom und
Cysteinpersulfid, eine wiederum modifizierte Aminosäure, die ein
zusätzliches Schwefelatom enthält. Beides ist zwingend notwendig für
ein Funktionieren des Enzyms.
Schwefeloxidation kommt nicht nur unter den
genannten Bedingungen vor, sondern überall dort, wo schwefelhaltige
Erze oder Abraumhalden von Bergwerken mit Wasser in Kontakt kommen.
Dies ist Problem und Chance zugleich. Ein Problem, da solche sauren
Sickerwässer mit hohen, möglicherweise giftigen Schwermetallgehalten
eine ökologische Gefahr sind. Eine Chance, weil man metallhaltige
Abwässer mikrobiell auslaugen und so Metalle selbst aus Abräumen mit
niedrigem Erzgehalt gewinnen kann. Thermophile Mikroorganismen ähnlich
A. ambivalens werden z.B. bei der Laugung von Kupfer aus
Chalcopyriterzen (CuFeS2) eingesetzt. Die Versuche sollen
auch zur Aufklärung dieser Laugungsprozesse beitragen.
Zu den Autoren:
Tim Urich, Jahrgang 1974, studierte in Darmstadt
Biologie. Die Veröffentlichung in "Science" ist Teil seiner
Doktorarbeit, die er 2005 erfolgreich "mit Auszeichnung" abschloss.
Während seiner Arbeit forschte er zehn Monate in Portugal mit Partnern
am Instituto de Tecnologia Química e Biológica in Oeiras (20 km
westlich von Lissabon), um die Strukturaufklärung von Proteinen zu
erlernen und durchzuführen.
Arnulf Kletzin, Jahrgang 1960, studierte in
Göttingen und Kiel Biologie, promovierte in München bzw. Martinsried
am Max-Planck Institut für Biochemie in der AG von Prof. Wolfram
Zillig, einem der Pioniere der Archaea-Forschung, Nach einer
Postdoc-Zeit in Athens (Georgia, USA) kam er vor zehn Jahren nach
Darmstadt. Er erforscht mit einer Arbeitsgruppe den
Schwefelstoffwechsel. |
