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Cellulosom

von Juliet Merz (Laborjournal-Ausgabe 5, 2022)


(13.05.2022) Pflanzliche Zellwände sind widerspenstig. Um die grünen Zuckerbomben dennoch verwerten zu können, hat die Natur einige Mikroorganismen mit entsprechendem Werkzeug ausgestattet: dem Cellulosom.

Ein israelisches Forschungsteam war 1983 auf einen Cellulose-bindenden Komplex im Bakterium Clostridium thermocellum gestoßen (J. Bacteriol. 156(2): 828-36). Auf elektronenmikroskopischen Aufnahmen sah es so aus, als bestünde das Gebilde, das kurze Zeit später den Namen Cellulosom erhielt, aus mehreren Untereinheiten mit einer komplizierten Quartärstruktur.

Die Gruppe behielt recht: Cellulosome sind Multienzymkomplexe, mit denen Mikroorganismen lignocellulotische Biomasse abbauen können. Kurz zur Erinnerung: Die Zellwand von Pflanzen ist ein robustes Netzwerk aus Polysacchariden. Ihr Hauptbestandteil, die Cellulose, besteht aus bis zu 15.000 verknüpften Glucose-Einheiten. Weitere Bestandteile sind die Hemicellulose, in der andere Zucker-Monomere wie beispielsweise Xylose und Arabinose verbaut sind, andere Polysaccharide wie Pektin sowie Proteine und das organische Polymer Lignin. Letzteres besteht aus verschiedenen vernetzten aromatischen Alkoholen und kann kovalent an Hemicellulose knüpfen. Wie Beton wird das feste Lignin quasi zwischen die Cellulose-Fasern „gegossen“ und sorgt als Stützmaterial für noch mehr Stabilität der Pflanzenzellwand. Kein Wunder, dass es Enzyme hier schwer haben.

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Die bakteriellen Cellulosome schaffen es dennoch und setzen sich aus zwei grundlegenden Protein-Bausteinen zusammen: Dockerin, das Enzyme oder Hilfsproteine trägt, und Cohesin, das mit Strukturproteinen verbunden ist. Dockerin und Cohesin greifen perfekt ineinander und verknüpfen sich fest. Diese nicht-kovalente Wechselwirkung ist eine der stärksten der Natur. Mit ihrer Hilfe können Bakterien im Darm den Scherkräften trotzen und fest mit den Cellulose-Fasern verbunden bleiben – wie ein Team um Michael Nash von der Universität Basel kürzlich herausgefunden hat (Nat. Commun. 11: 4321). Nash et al. konnten außerdem zeigen, dass die Cellulosomen mit einem sogenannten Catch-Bond-Mechanismus funktionieren, heißt: Die Bindung wird stärker, je schneller an den Proteinen gezogen wird. Die Autoren vermuten, dass diese Dynamik den Bakterien hilft, einerseits stabil an Cellulose zu haften und andererseits den Komplex bei Bedarf mühelos wieder zu lösen.

Die Cohesin-Dockerin-Grundbausteine ermöglichen den cellulolytischen Bakterien, ihre Cellulosomen individuell zusammenzustellen. Der Multienzymkomplex ist dabei wie ein Gerüst aufgebaut, das quasi aus drei Etagen besteht – wobei nicht jedes Cellulosom alle Stockwerke beherbergen muss. Als anschauliches Beispiel eignet sich ein Cellulosom des Darmbewohners Ruminococcus flavefaciens. An seiner bakteriellen Zellwand sitzt der erste Teil des Cellulosoms: das Anker-Gerüst, das nur aus einem Cohesin besteht, das das Cellulosom mit der bakteriellen Zellwand verknüpft. In das Cohesin ist ein Dockerin geklinkt, an dessen Ende weitere sieben Cohesine geknüpft sind. Diesen zweiten Part nennt man das Adapter-Gerüst, quasi die zweite Etage.

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Enzyme gehen Hand in Hand

An die insgesamt sieben Cohesine können wiederum Dockerine binden, die weitere Cohesine als Schwanz mit sich tragen, das sogenannte Primär-Gerüst. An die Cohesine können nun Dockerin-gekoppelte Enzyme binden. Der Sinn hinter den zahlreichen Verzweigungen: Durch die aufgereihten Cohesine kann ein Cellulosom viele Enzyme gleichzeitig und in räumlicher Nähe tragen, die sich nicht nur die Arbeit teilen können. Denn die Anzahl an Enzymen hat noch einen weiteren Vorteil: Da die pflanzliche Zellwand äußerst komplex ist und sich nicht durch eine einzige Enzym-Sorte knacken lässt, müssen unterschiedliche Enzyme miteinander kooperieren. Zum Beispiel kann eine Exoglucanase nur Kettenenden spalten, die eine Endoglucanase durch Hydrolyse vorher freigelegt hat. Neben diesen beiden Cellulasen gibt es noch weitere Cellulasen sowie andere Enzyme wie beispielsweise Xylanase, Pektinase, Mannanase und Xyloglucanase – eben ein passendes Enzym für jeden Zellwand-Bestandteil.

Die meisten bislang beschriebenen Cellulosome sind an der bakteriellen Zellwand verankert. Allerdings gibt es auch sekretierte Cellulosome, zum Beispiel in C. thermocellum. Dessen Cellulosome sind bis dato übrigens die am besten untersuchten. Doch die Pflanzenzellwand-Knacker sind auch in anderen Mikroben zu finden, die an den unterschiedlichsten Orten leben. Während sich C. thermocellum beispielsweise in Pferdemist, heißen Quellen sowie im Abwasser und Erdreich suhlt, leben andere Cellulosom-produzierende Bakterien im menschlichen Darm oder Klärschlamm.

Obwohl ihre Wohnorte verschieden sind, haben die genannten Prokaryoten zwei grundlegende Dinge gemeinsam: Sie sind anaerob und mesophil, teilweise sogar thermophil, mögen also keine frische Luft, dafür aber warme bis heiße Temperaturen. Und sie müssen aufgrund des fehlenden Sauerstoffs ihren Energiehaushalt genaustens kalkulieren. Die Cellulosomen sind deshalb nicht nur hochorganisiert und hocheffizient, sie ermöglichen sogar das Recyceln von Enzymen und die direkte Assimilation von Hydrolyseprodukten.

Proteomik-Studien haben außerdem gezeigt, dass Bakterien ihre Cellulosome anpassen können. Je nachdem, auf welchem Medium sie wachsen, können sie unterschiedliche Enzyme in das Gerüst integrieren. Die Zahl der Gene, die für Dockerin-gekoppelte Enzyme codieren, ist weitaus größer als die Zahl der Cohesine, die auf dem Primär-Gerüst verfügbar sind. So liegen für nahezu jedes Nahrungsangebot die passenden Enzym-Gene im Erbgut bereit. Wie die Bakterien das Substrat wahrnehmen und anschließend die Gen-Expression beeinflussen, ist bislang noch wenig erforscht.

Ebenfalls viel Forschungsarbeit haben Biotechnologen vor sich, denn Cellulosomen bergen immenses Anwendungspotenzial beim Abbau von Biomasse. Ihr Ziel: Einen idealen Mikroorganismus zu erschaffen, der Lignocellulose in wertvolle Produkte wie Biokraftstoff umwandelt. Allerdings ist dies leichter gesagt als getan. Denn der Zusammenbau der Cellulosomen ist knifflig, besonders wenn sie äußerst komplex, also „mehrstöckig“ sind und viele Bindungsstellen sowie Enzyme tragen.