Nicht über den Hunger essen: Wie Archaeen ihre Stickstoffaufnahme schalten

Zunächst isolierten die Forscher die Glutaminsynthetase – jenes Enzym, das für die energieabhängige Aufnahme von Stickstoff verantwortlich ist – aus beiden Organismen und überprüften seine Aktivität. Hier erlebten sie die erste Überraschung: Während das Enzym aus M. shengliensis wie erwartet aktiv war, war jenes aus M. thermolithotrophicus es nicht. Offensichtlich besaßen beide Organismen dasselbe Enzym für die Stickstoffaufnahme, regulierten es aber unterschiedlich. Sie hatten verschiedene Möglichkeiten, es an- und auszuschalten. M. shengliensis verhielt sich wie erwartet. Aber was war der Auslöser in M. thermolithotrophicus? Die Forschenden versuchten es mit einer Verbindung namens 2-Oxoglutarat, das nachweislich die Aktivität der Glutaminsynthetase in manchen Archaeen erhöht. „Und tatsächlich, es funktionierte!“, sagt Müller. „Das war ein aufregendes Ergebnis. Wir hatten einen Weg gefunden, wie man den Schalter für die Aktivität des Enzyms in M. thermolithotrophicus umlegen kann. Und wir haben es sogar geschafft, die Aufnahme zu regulieren, indem wir die Konzentration von 2-Oxoglutarat veränderten: Wenn die Zelle Stickstoff benötigt, steigt der 2-Oxoglutarat-Spiegel und schaltet die Glutaminsynthetase ein. Hat die Zelle aber genug Stickstoff, sinkt der 2-Oxoglutarat-Spiegel auf eine Konzentration, die zu niedrig ist, um das Enzym aktiv zu halten. Dadurch wird eine weitere Stickstoffaufnahme verhindert. Somit wird keine Energie verschwendet, wenn die Zelle gut mit Stickstoff versorgt ist.“

Als nächstes wollten die Forschenden herausfinden, wie genau das 2-Oxoglutarat den Schalter für die Stickstoffaufnahme in M. thermolithotrophicus einschaltet. Mittels Röntgenkristallographie unter Verwendung von Synchrotronstrahlung bestimmten sie die 3D-Struktur des zuvor kristallisierten Enzyms mit und ohne daran gebundenes 2-Oxoglutarat. Außerdem verglichen sie es mit dem anderen untersuchten Organismus, M. shengliensis. Bei M. thermolithotrophicus bindet das 2-Oxoglutarat in einer Tasche weit entfernt vom aktiven Zentrum des Enzyms, in dem die Reaktion stattfindet. Durch die Bindung an 2-Oxoglutarat kommt es zu Verschiebungen im Enzym, sodass es die aktive Form annimmt. Bei M. shengliensis hingegen kann das 2-Oxoglutarat nicht an das Enzym binden, deswegen ruft das 2-Oxoglutarat hier keine Reaktion hervor. „Jetzt können wir ganz genau beschreiben, wie der 2-Oxoglutarat-Schalter funktioniert und welche Enzyme dafür empfänglich sind“, so Müller.

„Selbst eng verwandte Mikroben, wie die methanogenen Archaeen, haben unterschiedliche Wege entwickelt, um die Stickstoffaufnahme zu steuern“, fasst Wagner zusammen. „Dieses von der Evolution geschliffene Regulierungssystem, gezielt und schnell auf die Bedürfnisse der Zelle zu reagieren, ist wunderbar. Und wir rechnen mit noch mehr Überraschungen: Sehr wahrscheinlich warten weitere unvermutete Regulierungssysteme darauf, entdeckt zu werden", so Wagner abschließend.