Der Rolle von Eisen-Schwefel-Verbindungen auf der Spur

Professor Dr. Antonio Pierik (v.l.n.r.), Professor Dr. Volker Schünemann, Doktorandin Christina Müller und Professor Dr. Michael Schroda arbeiten gemeinsam im Schwerpunktprogramm. (Foto: Koziel/TUK)

Rote Blutkörperchen können dank ihrer Eisenatome Sauerstoff transportieren. Auch an anderen Orten in unseren Zellen kommt das Metall zum Einsatz, wie etwa in Form von verschiedenen Eisen-Schwefel-Verbindungen. Sie sind unter anderem in Enzymen und beim Transport von Elektronen in Zellen wichtig. An der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) untersuchen drei Forscherteams ihre Synthese und Rolle im Stoffwechsel. Die Arbeiten finden im Schwerpunktprogramm (SPP) 1927 „Iron-Sulfur for Life“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) statt. Interessant können die Erkenntnisse etwa für die Biotechnologie sein, um neue Formen der Energiegewinnung zu entwickeln oder Wirkstoffe zu produzieren.

Ob bei der Atmung, der Photosynthese oder anderen Stoffwechselwegen – Eisen-Schwefel-Zentren kommt in vielen lebensnotwendigen Prozessen eine zentrale Bedeutung zu. „Dabei sind diese Zentren oft in einem großem Proteinkomplex eingebunden“, sagt Professor Dr. Antonio Pierik, der im Lehrgebiet Biochemie an der TUK forscht. Sie sind bereits früh in der Evolution entstanden und kommen in Bakterien, Pilzen, Pflanzen und Tieren vor. Bei Enzymen sind sie beispielsweise wichtig, um katalytische Prozesse wie die Spaltung von Zuckermolekülen zu ermöglichen. Auch für die Energiegewinnung der Zelle sind sie essentiell, da über sie der Transport von Elektronen abläuft und auf diese Weise erst Energie in Form von Molekülen gespeichert werden kann.

Im Rahmen des SPP 1927 untersuchen die Kaiserslauterer Forschergruppen den genauen Aufbau dieser Zentren und wie sie in die Proteine eingebunden sind. „Es gibt viele verschiedene Eisen-Schwefel-Verbindungen“, sagt Pierik. „Wir wollen unter anderem verstehen, wie sie in der Zelle synthetisiert werden.“

Bei ihrer Forschung kommen spezielle Techniken zum Einsatz: Zunutze machen sich die Forscher hierbei die magnetischen Eigenschaften des Eisens. Das Team um Pierik nutzt die sogenannte Elektronenspinresonanz-Spektroskopie. Dabei wird Mikrowellenstrahlung auf die zu untersuchende Probe geschickt, zugleich befindet sich diese in einem Magnetfeld, wodurch die Eisen-Elektronen angeregt werden. Ähnlich wie bei einem Fingerabdruck erhalten die Forscher bei der Messung für die einzelnen Eisen-Schwefel-Zentren charakteristische Spektren.

Professor Schünemann und seine Arbeitsgruppe aus dem Lehrgebiet Biophysik und Medizinische Physik verwenden die Mössbauer-Spektroskopie. „Hierbei handelt es sich um ein Analyseverfahren, bei dem die Absorption von hochenergetischer Röntgenstrahlung vom Atomkern des Eisens ausgenutzt wird“, erläutert Schünemann. Mithilfe der beiden Techniken erhalten beide Teams im Anschluss ein genaues Bild über die Zusammensetzung der Metallzentren.

Komplettiert werden diese Ergebnisse durch die Arbeit von Professor Schroda und seiner Arbeitsgruppe aus dem Lehrgebiet Molekulare Biotechnologie und Systembiologie. Hier kommt die Massenspektrometrie zum Einsatz. Bei diesem Verfahren werden die Protein-Moleküle anhand ihrer Masse identifiziert und quantifiziert. Im Prinzip werden sie gewogen. „Ähnlich wie bei einem Fingerabdruck besitzt auch hierbei jedes Molekül einen charakteristischen Wert“, sagt Professor Schroda.

Zusammengenommen erhalten die drei Forschergruppen ein genaues Bild zu den Eisen-Schwefel-Verbindungen und zu den Protein-Komplexen, in die sie eingebunden sind. Nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für die Biotechnologie sind diese Erkenntnisse interessant, beispielsweise für die Synthese von medizinischen Wirkstoffen oder für neue Formen der Energiegewinnung.

Das SPP wird von Professorin Dr. Silke Leimkühler an der Universität Potsdam geleitet und koordiniert. Ziel ist es, die genaue Rolle der Metalle zu verstehen und wie diese die Aktivität der Proteine beeinflussen. Das Programm ist nun in der zweiten Förderperiode. In der ersten Phase waren die Professoren Pierik und Schünemann beteiligt. Die beiden haben für diese Arbeiten rund 478.000 Euro von der DFG erhalten. Nun ist auch Professor Schroda am Vorhaben beteiligt. Zusammen erhalten die drei Arbeitsgruppen rund 781.000 Euro, sodass die Forschungsarbeiten an der TU Kaiserslautern im Rahmen des SPP insgesamt mit rund 1,26 Millionen Euro gefördert wurden beziehungsweise werden.

Fragen beantworten:

Prof. Dr. Antonio Pierik
Lehrgebiet Biochemie
Tel.: 0631 205-3421
E-Mail: pierik(at)chemie.uni-kl.de

Prof. Dr. Volker Schünemann
Lehrgebiet Biophysik und Medizinische Physik
Tel.: 0631 205-4920
E-Mail: schuene(at)physik.uni-kl.de

Prof. Dr. Michael Schroda
Lehrgebiet Molekulare Biotechnologie und Systembiologie
Tel.: 0631 205-2697
E-Mail: schroda(at)bio.uni-kl.de