300 g höchstreines Europium
Bakterien machen manches anders als „höhere“ Organismen. So nutzen sie z. B. Elemente im aktiven Zentrum ihrer Enzyme, die uns Menschen eher exotisch vorkommen. Dazu gehören die Metalle der Seltenen Erden – 17 Elemente, zu denen die der 3. Nebengruppe des Periodensystems (mit Ausnahme des Actiniums) sowie die Lanthanoide gehören.
Der oft verwendete Begriff „Seltene Erden“ ist allerdings irreführend, denn wirklich selten sind die Seltenerdmetalle nicht. Sie wurden lediglich zuerst in seltenen Mineralien gefunden und aus diesen als Oxide (früher „Erden“ genannt) isoliert. Einige der Seltenerdmetalle wie Cer, Yttrium und Neodym sind in der Erdkruste sogar häufiger als viele andere Elemente, die uns ganz geläufig sind, wie etwa Blei, Kupfer, Molybdän oder Arsen.
Dass Bakterien die Exoten-Elemente für irgendetwas nutzen könnten, dämmerte Wissenschaftlern nach der folgenschweren Explosion der Ölplattform Deep Water Horizon im Golf von Mexiko im Jahre 2010. Das damals in ungeheuren Mengen austretende Erdgas und Rohöl führte zu einer Blüte von methanotrophen – also Methan verwertenden – Bakterien im Meerwasser. Gleichzeitig mit dem Methan-Verbrauch nahm kurioserweise die Menge an den leichten Seltenerdmetallen Lanthan, Cer, Praseodym und Neodym im Wasser ab. Weshalb, blieb aber erst einmal unklar.
Heute weiß man, dass Seltenerdmetalle von Bakterien in der Methanol-Dehydrogenase verbaut werden, dem Enzym, das methano- und methylotrophe Bakterien benötigen, um Methanol zur Energiegewinnung zu Formaldehyd zu oxidieren. Die zuerst charakterisierten Methanol-Dehydrogenasen besaßen allerdings Calcium-Ionen im aktiven Zentrum. „Man hat es durch die schlechte Löslichkeit der Seltenerdmetalle unter physiologischen Bedingungen lange für unmöglich gehalten, dass diese biologisch relevant sein könnten. Da hat ihnen der unglücklich gewählte Name auch nicht besonders weiter geholfen“, erläutert Lena Daumann, die mit ihrer Gruppe an der Ludwig-Maximilians-Universität München an Seltenerdmetallen forscht. „Inzwischen weiß man, dass Bakterien schon mit nanomolaren Konzentrationen dieser Elemente wachsen können.“
Interessant ist dies nicht nur aus akademischen Gründen, sondern auch, weil die entsprechenden Elemente in vielen Schlüsseltechnologien zum Einsatz kommen. Große Lagerstätten, die sich wirtschaftlich ausbeuten lassen, sind allerdings relativ selten. Zudem ist der Abbau alles andere als umweltfreundlich. Deshalb scheint es attraktiv, Seltenerdmetalle aus Bakterien zu gewinnen, die diese aus dem Boden oder beim Urban Mining aus End-of-life-Produkten (unbrauchbar gewordene Elektronik-Bauelemente) aufnehmen können und in ihre Proteine einbauen. „Seltenerdmetall-abhängige Bakterien haben natürlich großes Potenzial, im Biomining eingesetzt zu werden“, weiß Daumann. „Das wurde tatsächlich auch schon für das Seltenerdmetall Neodym mit dem Bakterium Methylobacterium extorquens und alten Festplattenmagneten getestet.“
Aus diesem Bakterium wurde 1964 auch die erste Methanol-Dehydrogenase isoliert. Sie gehörte zum MxaF-Typ, der Calcium-Ionen enthält. Die erste Kristallstruktur einer von Seltenerdmetallen abhängigen Methanol-Dehydrogenase (XoxF-Typ) wurde 2014 veröffentlicht und stammt aus Methylacidiphilum fumariolicum SolV. Manche Bakterien besitzen jeweils nur eine (wie SolV), andere dagegen beide Enzym-Varianten (wie M. extorquens), so dass sie weniger abhängig von ihrer Umwelt sind.
Die aktiven Zentren beider Enzym-Typen sind sich sehr ähnlich, allerdings ist ein zusätzlicher Aminosäure-Ligand an der Bindung des Seltenerdmetalls beteiligt. „Dies liegt daran, dass Calcium eher eine etwas kleinere Koordinationszahl – die Zahl der Liganden, die an ein Zentralmetallion binden - als die Seltenerdmetalle bevorzugt“, erklärt Daumann.
Das Wachstum von Methylacidiphilum fumariolicum SolV ist streng abhängig von der Anwesenheit von Seltenerdmetallen. Daumann hat nun mit ihren Mitarbeitern und Kooperationspartnern aus Heidelberg und Nijmegen (Niederlande) eine Methanol-Dehydrogenase aus diesem thermophilen Bakterium untersucht, in der das Seltenerdmetall Europium verbaut worden war. Europium steuert in LEDs, Leuchtstofflampen sowie Röhren- und Plasma-Bildschirmen die Rotkomponente bei.
Europium ist vom Ionenradius her kleiner als die Seltenerdelemente mit niedrigerer Ordnungszahl wie Cer. „Dieses Phänomen ist als Lanthanoiden-Kontraktion bekannt“, erläutert Daumann. Mit Europium wuchs M. fumariolicum zwar exponentiell, aber mit deutlich geringerer Wachstumsrate, als wenn größere Seltenerdmetalle zur Verfügung standen. Ein Anteil von 70% der aktiven Zentren war mit einem Metallion ausgestattet, so viel wie auch bei der Verwendung von anderen Seltenerdmetallen. Der Einbau von Europium schien also vergleichsweise gut zu funktionieren.
Unterschiede fanden sich dagegen in der katalytischen Aktivität der Enzym-Varianten. Obwohl M. fumariolicum bevorzugt bei Temperaturen zwischen 50-60° C wächst, denaturierte das gereinigte Enzym unter diesen Bedingungen. Als Kompromiss zwischen Stabilität und Aktivität wurde deshalb eine Temperatur von 45°C für die Enzym-Charakterisierung gewählt.
Gaben die Forscher zu den zu 70% mit Europium-Ionen gesättigten Enzymen die größeren Seltenerdmetalle Lanthan oder Praseodym hinzu, so stieg die katalytische Effizienz. Bei Zugabe des schweren Seltenerdmetalls Ytterbium sank sie dagegen. Letzteres wird wohl ins aktive Zentrum eingebaut, kann dort aber keine katalytische Funktion übernehmen. Die Affinität der gereinigten Europium-haltigen Dehydrogenase zum Substrat war etwa 4,5mal niedriger als die eines bereits früher vermessenen Gemischs aus Enzym-Varianten mit Lanthan, Cer und Praseodym (3,62 +/- 0,44 µM im Vergleich zu 0,08 µM). Gleichzeitig war die katalytische Effizienz 200fach niedriger, wenn Europium eingebaut wurde. „Inzwischen konnten wir experimentell bestätigen, dass Lanthan, Praseodym und Neodym eine höhere spezifische Aktivität der Methanol-Dehydrogenase hervorrufen“, so Daumann.
Offensichtlich haben die unterschiedlichen Ionenradien und Koordinationszahlen der Seltenerdmetalle einen Einfluss auf die katalytische Effizienz der Enzyme. Dabei sieht es so aus, als ob die Enzyme so optimiert worden sind, dass sie die größeren und gleichzeitig in der Natur häufigeren Elemente bevorzugen.
Larissa Tetsch
Jahn, B. et al. (2018): Similar but not the same: first kinetic and structural analyses of a methanol dehydrogenase containing a europium ion in the active site). ChemBioChem 19:1147-53