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Hochauflösende Kryo-Elektronenmikroskopie macht es möglich, komplexe enzymatische Prozesse detailliert zu untersuchen. Einem Forschungsteam der Universität Potsdam und der Humboldt-Universität zu Berlin ist es mit dieser Methode gelungen, den Enzymkomplex CODH/ACS genau zu charakterisieren. Sie haben dabei herausgefunden, dass sich der Komplex im Verlauf chemischer Reaktionen bewegt und so die Reaktionsfolge bestimmt. Ihre Ergebnisse sind nun im Journal „Nature Catalysis“ erschienen.
Bevor in der Erdgeschichte die Photosynthese einsetzte und sich Sauerstoff in der Atmosphäre anreicherte, lebten hier im Wesentlichen anaerobe Mikroorganismen, die für ihren Stoffwechsel keinen Sauerstoff benötigen. Die anaerobe Kohlenstofffixierung gilt als einer der ältesten und effizientesten Prozesse dieser Art und spielt auch in modernen Ökosystemen eine zentrale Rolle – so zum Beispiel in vulkanischen Sümpfen oder im tierischen Verdauungstrakt. Der dafür essenzielle Enzymkomplex Kohlenmonoxid-Dehydrogenase/Acetyl-CoA-Synthase (CODH/ACS) ist in Mikroorganismen seit über 3,5 Milliarden Jahren erhalten geblieben.
Die Katalyse, also die Beschleunigung chemischer Prozesse der CODH/ACS, basiert auf verschiedenen Nickel-Eisen-Metallclustern, die Kohlendioxid in mehreren Reaktionsschritten zu dem wichtigen Biomolekül Acetyl-Coenzym A umwandeln. Die Effizienz dieser Reaktion macht die CODH/ACS zu einem vielversprechenden Enzymkandidaten für die Biokraftstoffproduktion aus Kohlendioxid. Forschende der Universität Potsdam und der Humboldt-Universität zu Berlin haben nun erstmals hochauflösende Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) angewendet, um den katalytischen Zyklus der CODH/ACS aufzuklären. Die Kryo-EM hat ein breites Anwendungsspektrum und kann zur Strukturanalyse verschiedener Enzyme und Biopolymere eingesetzt werden.
„Unsere Kryo-EM-Karten von sechs Zwischenzuständen der CODH/ACS sind so hoch aufgelöst, dass die an das Metallzentrum gebundenen Moleküle eindeutig mit den Bewegungen des Proteins korreliert werden können“, sagt der Erstautor der Studie, Jakob Ruickoldt. „Bislang wurden die verschiedenen Bindungszustände von CODH/ACS noch nicht mittels Kryo-EM untersucht“, so Petra Wendler. „Durch den Einsatz dieser Methode haben wir herausgefunden, wie die Bindung der verschiedenen Moleküle das aktive Zentrum für den nächsten Reaktionsschritt vorbereitet und so Nebenreaktionen und den Verlust von wertvollen Reaktionszwischenstufen verhindert. Dieses Wissen wird helfen, die Katalyse des uralten Enzymkomplexes für die biotechnologische Kohlenstofffixierung zu nutzen. “
Link zur Publikation: Ruickoldt et al., 2025, Ligand binding to a Ni-Fe cluster orchestrates conformational changes of the CO-methylating acetyl-CoA synthase, Nature Catalysis, https://www.nature.com/articles/s41929-025-01365-y
Abbildung 1: Prof. Petra Wendler und Dr. Jakob Ruickoldt bei der Vorbereitung des Probenhalters für die Kryo-Elektronenmikroskopie. Foto: Sophie Reisdorf
Abbildung 2: Übersicht über den CODH/ACS Komplex. Die CO2-Reduktion zu CO findet am Cluster C (C) statt. Von dort aus wandert das CO über einen hydrophoben Tunnel zum Cluster A (A). Dort findet die Kohlenstofffixierung statt. Das Zwischenprodukt CO reagiert hier mit einer Methylgruppe und Coenzym A zu Acetyl-CoA. Bild: Jakob Ruickoldt
Abbildung 3: Dr. Jakob Ruickoldt bei der Überführung der Proben in den Probenhalter. Foto: Sophie Reisdorf
Kontakt:
Prof. Dr. Petra Wendler
Institut für Biochemie und Biologie
Tel.: 0331 977-5130
E-Mail: petra.wendler@uni-potsdam.de
Medieninformation 11-07-2025 / Nr. 071
Dr. Stefanie Mikulla
Universität Potsdam
Referat Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Am Neuen Palais 10
14469 Potsdam
Tel.: 0331/977-1474
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Prof. Dr. Petra Wendler
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Ruickoldt et al., 2025, Ligand binding to a Ni-Fe cluster orchestrates conformational changes of the CO-methylating acetyl-CoA synthase, Nature Catalysis, https://www.nature.com/articles/s41929-025-01365-y
https://www.uni-potsdam.de/de/medieninformationen/detail/2025-07-11-kryo-elektro...
Prof. Petra Wendler und Dr. Jakob Ruickoldt bei der Vorbereitung des Probenhalters für die Kryo-Elek ...
Source: Sophie Reisdorf
Copyright: Sophie Reisdorf
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Biology, Chemistry
transregional, national
Research results
German
Prof. Petra Wendler und Dr. Jakob Ruickoldt bei der Vorbereitung des Probenhalters für die Kryo-Elek ...
Source: Sophie Reisdorf
Copyright: Sophie Reisdorf
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