News: Ungenießbar
Bakterien sind begabte Müllentsorger: Viele Substanzen, derer sich der Mensch entledigen will, haben sie zum Fressen gern. Manche polychlorierten Biphenyle sorgen allerdings für Verdauungsprobleme - warum dem so ist, zeigt ein scharfer Blick auf den innigen Kontakt der Beteiligten.
Industriechemikalien, Sprengstoffrückstände, Altölreste: Unsere Böden und Gewässer müssen eine ganze Reihe von Substanzen ertragen, die dort völlig fehl am Platze sind. Glücklicherweise kommt Hilfe aus dem Reich der Mikroorganismen – etliche Bakterien sind in der Lage, umweltschädliche Stoffe für den eigenen Stoffwechsel zu verwerten oder nebenbei zu ungefährlicheren Produkten abzubauen.
Allerdings geht das nicht immer glatt. Polychlorierte Biphenyle (PCB) beispielsweise, zu denen unter anderem das Insektenvertilgungsmittel DDT gehört, aber auch Hydraulikflüssigkeiten oder Isoliermaterialien, liegen in der Umwelt meist in einem Gemisch verschiedener Einzelverbindungen vor, deren Chloratome an unterschiedlichen Stellen sitzen. Je nach Position verderben diese den Bakterien manchmal den Appetit: Hängen sie direkt benachbart zur Brücke zwischen den beiden Ringen – also in ortho-Stellung –, erweisen sich die PCBs als außerordentlich unverdaulich. In meta- oder para-Position beeinträchtigen die Chloratome den weiteren Abbau offensichtlich weniger.
Wie kommt das, fragten sich Shaodong Dai von der Purdue University und seine Kollegen. Sie betrachteten einen vierstufigen Abbauweg, in dem das Enzym Dihydroxybiphenyl-Dioxygenase – oder kurz DHBD – im dritten Schritt einen der beiden aromatischen Ringe aufschneidet. Gelingt das bei meta- oder para-chlorierten Biphenylen recht gut, versagt das Enzym bei ortho-chlorierten Biphenylen den Dienst: Obwohl es eine große Vorliebe gerade für diese Moleküle hegt, wird es durch das angesteuerte Substrat lahm gelegt.
Röntgenstrukturuntersuchungen zeigten nun, warum dem so ist. Das Chloratom in ortho-Stellung wechselwirkt offenbar mit Aminosäuren in Seitenketten des Enzyms. Diese wirken jedoch an der Gestaltung der Bindungstasche für Sauerstoff mit, der für die Schneidarbeit benötigt wird. Gleichzeitig kommt es damit dem Wassermolekül nahe, das die Bindungstasche für Sauerstoff in dessen Abwesenheit besetzt. Die O2-Moleküle müssen nun einen regelrechten Hindernis-Parcour hinter sich bringen, um ihren gewohnten Arbeitsplatz einzunehmen – da wundert es nicht, wenn einige davon auf der Strecke bleiben und die Abbaurate rapide abnimmt.
Sitzt gar ein zweiter Chlorrest auf der anderen Seite direkt an der Brücke zum benachbarten Ring, liegt die Erfolgsrate des Enzyms noch geringer. Da auch dieses Chloratom mit den Aminosäuren des Proteins wechselwirkt, ist die Auswahl möglicher Positionen entsprechend eingeschränkt – die beiden Moleküle geraten also seltener innig aneinander. Und ohne die enge Bindung kann das Schneidwerkzeug seine Arbeit nicht verrichten.
Aber vielleicht lässt es sich ja umerziehen, hoffen die Forscher: Entweder müsste man dem Enzym seine große Vorliebe ausgerechnet für die schlecht verdaulichen ortho-chlorierten Biphenyle abgewöhnen, oder man müsste es so verändern, dass es seinem Lieblingssubstrat doch zu Leibe rücken kann. Letzteres würde das jetzt bestehende Problem lösen, dass PCB-Rückstände teilweise abgebaut werden, gerade die schwer zu knackenden ortho-chlorierten Verbindungen aber übrig bleiben. Wie sich die Wissenschaftler die Erziehungsmaßnahmen im Detail vorstellen, verraten sie allerdings nicht.
Allerdings geht das nicht immer glatt. Polychlorierte Biphenyle (PCB) beispielsweise, zu denen unter anderem das Insektenvertilgungsmittel DDT gehört, aber auch Hydraulikflüssigkeiten oder Isoliermaterialien, liegen in der Umwelt meist in einem Gemisch verschiedener Einzelverbindungen vor, deren Chloratome an unterschiedlichen Stellen sitzen. Je nach Position verderben diese den Bakterien manchmal den Appetit: Hängen sie direkt benachbart zur Brücke zwischen den beiden Ringen – also in ortho-Stellung –, erweisen sich die PCBs als außerordentlich unverdaulich. In meta- oder para-Position beeinträchtigen die Chloratome den weiteren Abbau offensichtlich weniger.
Wie kommt das, fragten sich Shaodong Dai von der Purdue University und seine Kollegen. Sie betrachteten einen vierstufigen Abbauweg, in dem das Enzym Dihydroxybiphenyl-Dioxygenase – oder kurz DHBD – im dritten Schritt einen der beiden aromatischen Ringe aufschneidet. Gelingt das bei meta- oder para-chlorierten Biphenylen recht gut, versagt das Enzym bei ortho-chlorierten Biphenylen den Dienst: Obwohl es eine große Vorliebe gerade für diese Moleküle hegt, wird es durch das angesteuerte Substrat lahm gelegt.
Röntgenstrukturuntersuchungen zeigten nun, warum dem so ist. Das Chloratom in ortho-Stellung wechselwirkt offenbar mit Aminosäuren in Seitenketten des Enzyms. Diese wirken jedoch an der Gestaltung der Bindungstasche für Sauerstoff mit, der für die Schneidarbeit benötigt wird. Gleichzeitig kommt es damit dem Wassermolekül nahe, das die Bindungstasche für Sauerstoff in dessen Abwesenheit besetzt. Die O2-Moleküle müssen nun einen regelrechten Hindernis-Parcour hinter sich bringen, um ihren gewohnten Arbeitsplatz einzunehmen – da wundert es nicht, wenn einige davon auf der Strecke bleiben und die Abbaurate rapide abnimmt.
Sitzt gar ein zweiter Chlorrest auf der anderen Seite direkt an der Brücke zum benachbarten Ring, liegt die Erfolgsrate des Enzyms noch geringer. Da auch dieses Chloratom mit den Aminosäuren des Proteins wechselwirkt, ist die Auswahl möglicher Positionen entsprechend eingeschränkt – die beiden Moleküle geraten also seltener innig aneinander. Und ohne die enge Bindung kann das Schneidwerkzeug seine Arbeit nicht verrichten.
Aber vielleicht lässt es sich ja umerziehen, hoffen die Forscher: Entweder müsste man dem Enzym seine große Vorliebe ausgerechnet für die schlecht verdaulichen ortho-chlorierten Biphenyle abgewöhnen, oder man müsste es so verändern, dass es seinem Lieblingssubstrat doch zu Leibe rücken kann. Letzteres würde das jetzt bestehende Problem lösen, dass PCB-Rückstände teilweise abgebaut werden, gerade die schwer zu knackenden ortho-chlorierten Verbindungen aber übrig bleiben. Wie sich die Wissenschaftler die Erziehungsmaßnahmen im Detail vorstellen, verraten sie allerdings nicht.
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