Der Ammoniak-Oxidationsprozess in Archaea

Stickstoff ist das am häufigsten vorkommende Element in der Erdatmosphäre und für alle lebenden Organismen unerlässlich. Die Umwandlung von Stickstoff in reaktive Formen wie Ammoniak (NH3) oder Stickoxide (NOx), die von Organismen verwertet werden können, wird hauptsächlich von bestimmten Gruppen von Mikroorganismen durchgeführt, die Teil des globalen Stickstoffkreislaufs sind. Die Entwicklung eines chemischen Verfahrens zur großtechnischen Synthese von Ammoniak zur Verwendung in Düngemitteln um die Jahrhundertwende, führte zur Grünen Revolution und zu einem massiven Anstieg der landwirtschaftlichen Produktion. Aufgrund der geringen Stickstoffnutzungseffizienz von Pflanzen wird jedoch mehr als die Hälfte des Stickstoffdüngers in die Biosphäre freigesetzt. Das führt zu einer Verschmutzung der Ökosysteme mit dramatischen Folgen, wie zum Beispiel der Eutrophierung von Süßwassersystemen und einem starken Anstieg der Emissionen des potenten Treibhausgases N2O. Angesichts dieser dramatischen ökologischen Auswirkungen eines aus dem Gleichgewicht geratenen Stickstoffkreislaufs ist es sehr wichtig, die Aktivität der beteiligten Mikroorganismen zu untersuchen und zu verstehen. Von besonderer Bedeutung derjenigen Mikroorganismen, die die Oxidation von Ammoniak zu Nitrit durchführen, jener Schritt, der die Verfügbarkeit reaktiver Stickstoffspezies in der Umwelt steuert. Unter den beiden mikrobiellen Gruppen, die den Prozess durchführen, den Ammoniak oxidierenden Bakterien (AOB) und Ammoniak oxidierenden Archaea (AOA), sind letztere in den meisten Ökosystemen zahlenmäßig überlegen, obwohl sie erst vor etwa 15 Jahren entdeckt wurden. Fortschritte im Verständnis der Physiologie und metabolischen Diversität von AOA schritten nur langsam voran. Das lag hauptsächlich an den technischen Herausforderungen bei der Kultivierung der Organismen zu einer ausreichend hohen Biomasse. Folglich ist nur sehr wenig über ihren zentralen Energiestoffwechsel bekannt, einschließlich der Struktur des Schlüsselenzyms Ammoniakmonooxygenase und der Natur der Enzyme, die den Rest des Stoffwechselwegs katalysieren. Jüngste Fortschritte in unserem Labor, insbesondere bei der kontrollierten Fermentation und Optimierung des AOA-Wachstums in kontinuierlichen Kulturen, ermöglichen es uns jetzt, regelmäßig bis zu drei Gramm Biomasse pro Monat zu produzieren. Diese Entwicklung erlaubt es, nun detailliertere funktionelle genomische, genetische und biochemische Studien durchzuführen. Insbesondere werden wir versuchen, die Struktur-Funktions-Beziehungen des Schlüsselenzyms Ammoniak-Monooxygenase durch Cryo- Elektronenmikroskopie und biochemische Analysen aufzuklären. Außderdem werden wir vergleichende Studien an verschiedenen AOA durchführen, um weitere Enzyme des Stoffwechselwegs zu identifizieren. Diese Studie wird es uns letztendlich ermöglichen, ein besseres Verständnis der Ammoniakoxidation in AOA zu bekommen, einer der am weitesten verbreiteten und am häufigsten vorkommenden, aber sehr wenig untersuchten mikrobiellen Gruppen auf diesem Planeten.