Planetare Enzyme

Mikroben sind gute Energieverwerter. Einstein Visiting Fellow Anne-Frances Miller untersucht die biokatalytischen Prinzipien ihrer Enzyme, um Lösungen für drängende Probleme unserer Zeit zu finden: Sonnenenergie zu speichern und Wasser zu reinigen

Es ist diese elegante Effizienz, die Anne-Frances Miller begeistert. Die Fähigkeit urzeitlicher Mikroben, in der harschen Umwelt vor drei bis vier Milliarden Jahren, also zu Anbeginn des Lebens, genügend Energie zu gewinnen, um zu überleben. „Für diese einfachen Organismen war eine effektive Energiewirtschaft überlebenswichtig, sie haben unter Selektionsdruck Strategien entwickelt, von denen wir heute lernen können, um unsere existenziellen Probleme zu lösen”, sagt Miller. „Die Menschheit steht ja vor der Situation, dass die Energie begrenzt ist, die sie ohne Umweltzerstörung mit der existierenden Technologie produzieren kann.”

Die Chemikerin spricht in eine Webcam in ihrer Wohnung in Lexington, Kentucky. Es ist fünf Uhr morgens Eastern Time, Miller steht gerne zeitig auf. Eigentlich wollte sie jetzt in Berlin sein, wo sie bis 2023 als Fellow der Einstein Stiftung eine Arbeitsgruppe leitet, doch ein anderer Mikroorganismus hat das verhindert: das Corona-Virus. Also hält Miller den Kontakt digital und schaltet sich viermal pro Woche mit ihren deutschen Kolleg*innen zu Videokonferenzen zusammen.

Miller erforscht enzymatische Prozesse in Mikroben, darunter jene urzeitlichen Organismen, deren Nachfahren noch heute existieren: an hydrothermalen Tiefseequellen, in der Nähe von Vulkanen und im menschlichen Verdauungstrakt –überall dort, wo die Lebensbedingungen so ungastlich wie damals sind. Die Enzyme, die in diesen Organismen wirken, bergen einen wahren Schatz an nützlichen chemischen Reaktionen. Sie wurden von der Evolution seit Milliarden von Jahren perfektioniert, um knappe Ressourcen so effizient wie möglich zu verwerten. „Wir suchen in diesen Enzymen nach den grundlegenden biokatalytischen Prinzipien, aus denen Chemiker und Ingenieure dann Anwendungen entwickeln können, die günstig und effizient zugleich sind”, sagt Miller. Günstig, weil in der Natur vorkommende Enzyme vorrangig weit verbreitete Metalle für katalytische Reaktionen nutzen, Eisen oder Magnesium etwa – kein teures Rhodium oder Platin wie in künstlichen Katalysatoren.

Das Enzym, das Miller so begeistert, wurde am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg entdeckt: das Bifurcating Electron Transfer Flavoprotein. Im Labor nutzt Millers Team Kolibakterien, um das Enzym in ausreichender Menge herzustellen und mit Spektroskopie und thermodynamischen Messungen zu analysieren, wie es Energie genau umsetzt. „Die Enzyme nutzen den relativ neu entdeckten Prozess der flavinbasierten Elektronengabelung, sie können Elektronenpaare separieren, um eigenständige Elektronen hervorzubringen”, sagt Miller. „Wir wollen diesen Prozess rückwärts ablaufen lassen, sodass sich einzelne Elektronen, die aus Solarpanelen stammen, zu Elekronenpaaren verbinden, die dann stabilen Molekülen hinzugefügt werden, um Energie lange speichern zu können.” So könnten irgendwann Autos herumfahren, die ihren Tank selber mit Solarenergie füllen, indem sie mithilfe enzymatischer Prozesse Treibstoffmoleküle regenerieren, die Wasserstoff ähneln, aber bequemer und sicherer sind. „In unserem Labor haben wir schon kleine Mengen dieser Treibstoffmoleküle mithilfe von lichtgesteuerten Enzymen hergestellt, die zeigen, dass dieses Prinzip funktioniert.”

In Berlin arbeitet Miller mit der Arbeitsgruppe der Physikerin Andrea Mroginski an der Technischen Universität Berlin zusammen, um feinste Messungen durch Computermodelle zu erweitern. Die Einstein Stiftung finanziert die Stelle eines Postdoktoranden, der die Modellierungen der biochemischen Prozesse übernimmt, die dann wiederum die Laborarbeit weiterbringen. „Das ermöglicht die entscheidende Synergie zwischen theoretischer Chemie, Computerberechnungen und experimentellen Messungen”, sagt Miller. Auch ihre experimentelle Arbeit kann sie in Berlin ergänzen, durch Festkörper-NMR-Spektroskopie, die ihr an der University of Kentucky nicht zur Verfügung steht.

Es war ein Sabbatical, das Anne-Frances Miller nach Berlin gebracht hat. Nach Stationen an der Yale University, dem Massachusetts Institute of Technology, der Brandeis University und der Johns Hopkins University begann sie 2017 ein Forschungsjahr an der Technischen Universität Berlin. Sie wollte die Berliner Expertise in Biomodelling und speziellen Spektroskopiemethoden nutzen, um ihre Forschung zur Elektronengabelung voranzubringen. Auch der Berliner Ansatz der Katalyseforschung überzeugte sie. „Große Forschungsverbünde wie UniSysCat mit langfristiger Förderperspektive ermöglichen es, Kooperationen über lange Zeiträume hinweg zu pflegen, statt Wettstreit unter hohem Zeitdruck, wie ich es in den USA oft erlebe.” Sie beschloss, ein Einstein Visiting Fellowship zu beantragen, um die Kooperation fortzusetzen.

In ihrem Heimatinstitut an der University of Kentucky treibt die Chemikerin ein weiteres existenzielles Problem der Menschheit um: die Reinigung von verschmutztem Wasser. Auch hier können Enzyme, die in Mikroben vorkommen, eine entscheidende Rolle spielen. „Unser Ziel ist es, aktive Filter zu entwickeln, die mithilfe enzymatischer Prozesse Schadstoffe in ungiftige Produkte verwandeln können, bevor sie überhaupt ins Grundwasser gelangen”, sagt Miller. „Es gibt bereits Enzyme, die das leisten können.” So hat die Evolution in den letzten 60 Jahren etwa einen enzymatischen Mechanismus hervorgebracht, der Bakterien befähigt, das in der EU seit 2003 verbotene Pflanzenschutzmittel Atrazin zu zersetzen. „Anfänglich konnte das kein Bakterium, das Atrazin blieb über Jahre im Boden und gelangte ins Grundwasser”, sagt Miller. „Jetzt verschwindet es innerhalb weniger Monate.”

Miller will sich solche evolutionären Antworten zunutze machen, um eine ganze Reihe schädlicher Stoffe zu bannen, die durch die industrielle Landwirtschaft in die Umwelt gelangen. „Manche Insektizide sind hochwirksame Nervengifte, die das Gehirn schädigen können”, sagt sie. Diese Stoffe wieder aus dem Grundwasser zu holen, stellt sich als enormes Problem dar. Doch Bakterien haben sogar gelernt, es mit ganzen Gruppen dieser chemischen Verbindungen aufzunehmen. Miller hat bereits zwei Enzyme im Blick, die besonders vielversprechend sind.

Auf ihrer Website stellt Miller ihrer Forschung ein Motto voran, das all ihre Bemühungen für das Verständnis und den Einsatz enzymatischer Prozesse zusammenfasst: „There is no Planet B.” „Das ist etwas, das wir zu oft vergessen, wir rennen von Deadline zu Deadline, um das nächste Paper oder Förderanträge abzugeben, aber wir müssen immer die großen Ziele im Blick behalten”, sagt sie. Für sie selbst heißt das, mit ihrer Forschung Verantwortung zu übernehmen. „Ich will Dingen zur Anwendung verhelfen, die das Leben der Menschen besser machen und es gleichzeitig dem Planeten ermöglichen, die Menschheit zu überleben.”

Anne-Frances Miller ist Professorin für Chemie und Biochemie an der University of Kentucky in Lexington. Seit 2020 ist sie Einstein Visiting Fellow an der Technischen Universität Berlin.

Text: Mirco Lomoth