26. Januar 2026 Forschende zeigen, wie Bakterien ein Abwehrmolekül ausschalten

Stickstoffmonoxid (NO) spielt eine zentrale Rolle in der menschlichen Immunabwehr gegen bakterielle Infektionen: Das reaktive Molekül ist für Krankheitserreger hochtoxisch. Viele Mikroorganismen haben daher als Teil ihrer Infektionsstrategie Mechanismen entwickelt, um NO mithilfe spezieller Enzyme, den sogenannten Flavodiiron-Proteinen (FDPs), zu neutralisieren. Wie dieser Prozess im Detail abläuft, war in der Enzymologie bislang ein ungelöstes Rätsel.

Trotz intensiver Forschung in den vergangenen zwei Jahrzehnten blieben insbesondere die genaue Struktur und das Verhalten des eisenhaltigen aktiven Zentrums dieser Enzyme – jener Region, an die Stickstoffmonoxid bindet – ungeklärt. Die Forschenden konnten nun zeigen, wie sich die aktiven Zentren der Flavodiiron-Proteine zwischen oxidierten und reduzierten Zuständen umorganisieren und dabei Hydroxobrücken ausbilden, die bislang unentdeckt geblieben waren. Entscheidend ist dabei die Reduktion, also die Aufnahme von Elektronen: Sie löst eine strukturelle Umordnung der Hydroxobrücken aus und aktiviert so die Enzyme. In diesem aktivierten Zustand können die Flavodiiron-Proteine Stickstoffmonoxid binden und in harmloses Lachgas (N₂O) umwandeln. Ein Teil der Messungen im Bereich der Kernresonanz-Schwingungsspektroskopie wurde an der Beamline P01 bei PETRA III durchgeführt.

Das Team nutzte für die in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) erschienene Studie einen neuartigen multimodalen Ansatz, der quantenchemische Modellierung mit verschiedenen spektroskopischen Methoden kombiniert. Auf diese Weise konnten sie das aktive Zentrum der Enzyme bis ins kleinste Detail untersuchen. Der identifizierte redoxabhängige Strukturwechsel erklärt nicht nur die Umwandlung von NO zu N₂O, sondern löst auch Widersprüche zwischen früheren Modellen auf.

„Aktive Zentren mit zwei Eisenatomen finden sich in zahlreichen Enzymen, die unter anderem an der Methanoxidation, der DNA-Synthese oder dem Fettsäurestoffwechsel beteiligt sind. Die gewonnenen Erkenntnisse sind daher für die Biologie, Chemie und Biotechnologie von breiter Relevanz“, sagt Prof. Dr. Lars Lauterbach von der RWTH Aachen University, korrespondierender Autor der Studie.

Darüber hinaus liefert die Arbeit wichtige methodische Erkenntnisse: Bei ihrer Strukturanalyse stellten die Forschenden fest, dass selbst Strahlung geringer Intensität Veränderungen in empfindlichen Metallzentren hervorrufen kann. Diese Beobachtung reicht weit über Flavodiiron-Proteine hinaus und ist für die Strukturuntersuchung vieler Enzyme mit Metall-Cofaktoren relevant. Sie unterstreicht die Notwendigkeit strahlungssensibler experimenteller Konzepte.

Die Studie wurde von Filipe Folgosa (ITQB NOVA), Vladimir Pelmenschikov und Giorgio Caserta (beide TU Berlin) als Erstautoren geleitet. Die Arbeit wurde unter anderem von der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzcluster Fuel Science Center (FSC) und UniSysCat gefördert.