Inhalt

Leitartikel939 Demokratie ist kein SelbstläuferK. DiabyWissenschaft &amp; Forschung942 Notizen aus der ChemieBlickpunkt Anorganik945 Lanthanoide – biologisch wichtigH. Lumpe, L. J. DaumannDie Elemente von Lanthan bis Lutetium sind für manche Organismen lebensnotwendig.Biowissenschaften949 Quanteneffekte – ganz natürlichM. GroßÜber Photosynthese und Geruchswahrnehmung.Katalyse952 Brücken mit ChalkogenenP. Wonner, L. Vogel, R. Weiss, S. M. HuberInsekten957 Schon immer die gleiche MedizinT. EnglEine Gruppe von Grabwespen nutzt seit 68 Millionen Jahren das gleiche Antibiotikum.Katalyse961 Ferritinbasierte makroporöse GelnanoreaktorenM. Häring, D. Díaz DíazMehrere Ferritine, also Proteinkomplexe, lassen sich zu einem stabilen makroporösen Hydrogel verbinden.Analytik965 Über die Chemie der SchokoladenherstellungN. Kuhnert, R. d‘SouzaDie Zusammensetzung der Kakaobohne verändert sich bei der Schokoladenherstellung drastisch.Industrie &amp; Technik971 Notizen aus der WirtschaftChemische Industrie972 Was Digitalisierung bedeutetE. FrauendorferProjektbeispiele aus dem Wacker-Konzern.Wirtschaft975 UnternehmensranglistenM. BulmahnWelches Chemieunternehmen ist das größte?Entwicklung976 Wege zu neuen MedikamentenP. Nussbaumer, B. KleblDas vor zehn Jahren gegründete Lead Discovery Center vermittelt zwischen Industrie und Akademia.Entwicklung979 Eine europaweite Drug-Discovery-PlattformD. TzalisIn der European Lead Factory arbeiteten Pharmafirmen und akademische Einrichtungen zusammen.Die Ecke des Wirtschaftschemikers981 Gründer gesuchtT. DaubenfeldInformationstechnik982 Vernetzungsrisiken vermeidenJ. Zenner, N. CrocollAnalytik985 Elektronische Nase und der Duft von KaffeeK. WutzEine neue Ionisationstechnik bringt flüchtige Verbindungen ohne Probenvorbereitung ins Massenspektrometer.988 Neue ProdukteBildung &amp; Gesellschaft990 Notizen aus Forschungspolitik und BildungKarrierekolumne991 Aktivieren Sie bitte den FlugmodusK. BodewitsPro und Contra992 Die Diskussion um Glyphosat ist nicht sachlichGlyphosat ist der am besten untersuchte Herbizidwirkstoff, meint Thoralf Küchler.993 Entscheidungen nach dem Vorsorgeprinzip sind gefordertRein landwirtschaftlich betrachtet gibt es keinen Grund, Glyphosat zu verwenden, entgegnet Johann Zaller.Zeitschriften994 „Chemiker sind zunehmend bereit, neue Wege auszuprobieren“C. RemenyiSeit einem Jahr leitet Neville Compton als Chefredakteur die Angewandte Chemie. Was er damit vorhat, erzählte er im Interview den Nachrichten aus der Chemie.Didaktik997 Wärmepflaster, im Chemieunterricht nachgebautM. Richter, M. S. Homeyer, B. DuvinageWärmeauflagen sollen gegen Gelenk- und Muskelschmerzen helfen. Die freigesetzte Wärme basiert bei einigen dieser Medizinprodukte auf der Redoxreaktion zwischen Eisen, Wasser und Sauerstoff. Ein Modellexperiment veranschaulicht die Funktionsweise.Chemiegeschichte1000 Die Pioniere gingen leer ausH. OffermannsDie Entdecker einiger großtechnischer Oxidationsreaktionen schufen die Basis für milliardendollarschwere Wertschöpfungsketten. Doch die Patente sind abgelaufen und manche Erfinder sogar weitgehend vergessen.Journal1004 Impressum, Interskriptum1005 Personalnachrichten1008 Nachruf Werner Vogel1009 Korrespondenz1010 Rezensionen1011 Tagungs kalender und -berichte1013 Chemistry Views1016 GDCh-Absolventenpreis1017 Vorstandswahl 20191018 Fachgruppen und Arbeitskreise1018 Fachgruppenpreise1019 Jungchemikerforum1020 GDCh Campus Events1021 Die GDCh vor Ort1022 Neuaufnahmen1024 Fortbildungskalender1025 Stellenmarkt1026 Blättern online1026 Vor 50 JahrenAusgeforscht: 1027 Grünlilie mit AlarmanlageTitelbild:Das wird nach etlichen Fermentations- und Prozessschritten aus der Kakaobohne [zu S. 965].Foto: Luigi Giordano, Fotolia<figure><img src="https://media.graphcms.com/OwbUjwZxRoNx4msKz65f"><figcaption><label>Abb. 1: </label></figcaption></figure>

Artikel

Inhalt: Nachr. Chem.

Leitartikel939 Demokratie ist kein SelbstläuferK. DiabyWissenschaft & Forschung942 Notizen aus der ChemieBlickpunkt Anorganik945 Lanthanoide – biologisch wichtigH. Lumpe, L. J. DaumannDie Elemente von Lanthan bis Lutetium sind für manche Organismen lebensnotwendig.Biowissenschaften949 Quanteneffe...

Wissenschaft & Forschung

Hin und wieder als „Vitamine der Industrie“ bezeichnet, aber auch für manche Organismen lebensnotwendig: Lanthanoide, also die Elemente von Lanthan bis Lutetium. Vor kurzem sind sie wegen ihrer biologischen Funktion in den Fokus von Mikrobiologen und Koordinationschemikern gerückt.
<h2>Entdeckung lanthanoidabhängiger Enzyme</h2>Auf den ersten Blick scheinen die drei Orte in Abbildung 1 – die Deepwater-Horizon-Plattform im Golf von Mexiko, der Schlammtopf nahe des Solfatara-Kraters in Italien und die blühende Landschaft in Oregon – nichts gemeinsam zu haben. Jedoch finden sich in allen drei Lebensräumen Bakterien, die Lanthanoide nutzen, um Stoffwechselprozesse zu katalysieren.<figure><img src="https://media.graphcms.com/9bORUdQaQNuduuexJaOZ"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Oben: Landschaft in Oregon. Pflanzensymbionten, blattbewohnende und Bodenbakterien nutzen Lanthanoide für ihren Stoffwechsel. Oben rechts: Mikrobiologe Arjan Pol nimmt eine Probe aus dem Schlammtopf nahe des Solfatara-Kraters in Italien.1) Hier lebt das Bakterium Methylacidiphilum fumariolicum SolV. Unten rechts: Brennende Deepwater-Horizon-Plattform im Jahr 2010.16) Durch das Methan, das bei dem Unglück ins Wasser gelangte, vermehrten sich dort explosionsartig marine methanotrophe Bakterien.</figcaption></figure>
Die biochemischen Eigenschaften der Lanthanoide werden zwar schon seit Jahrzehnten studiert, ihre biologische Relevanz ist aber erst seit weniger als zehn Jahren bekannt und anerkannt.2) Alles begann mit zwei Publikationen im Jahr 2011 von Keiichi Kawai und Mitarbeitern. Wie sie beobachteten, exprimieren Bakterienstämme der Spezies von Methylobacterium radiotolerans und Bradyrhizobium sp. durch das Zufügen von Lanthan(III) und Cer(III) zu den Kulturen eine 63 kDa schwere Methanoldehydrogenase (MDH). Ein Jahr später isolierten und analysierten Tomoyuki Nakagawa und Mitarbeiter erstmals eine lanthanabhängige MDH aus Methylobacterium extorquens.3) Wie sie damit zeigten, gibt es neben den lange bekannten und gut studierten calciumabhängigen MDH-Systemen einen alternativen Methanoloxidationsweg, den lanthanoidabhängige Enzyme katalysieren.<h2>Nicht ohne mein Lanthanoid</h2>Methanoldehydrogenasen sind essenziell für methylotrophe und methanotrophe Bakterien, die C1-Verbindungen wie Methanol und Methan verstoffwechseln, um Energie zu gewinnen.Im Jahr 2007 hatten die Mikrobiologen um Arjan Pol und Huub Op den Camp dem Schlammtopf des Solfatara-Kraters nahe Neapel in Italien (Abbildung 1, oben rechts) eine Probe entnommen.1) Diese Probe enthielt ein bis dahin unbekanntes, methanotrophes und acidophiles Bakterium, das die Forscher Methylacidiphilum fumariolicum SolV nannten.Zurück im Labor an der Radboud-Universität in Nimwegen versuchten die Forscher, SolV zu kultivieren, doch wuchs es mit keinem der bekannten und angebotenen Spurenelemente wie Eisen, Kupfer oder Mangan exponentiell. Wohlweislich hatte die Gruppe auch eine Probe des Wassers aus dem Schlammtopf aus Italien mitgenommen – nach dessen Zugabe zum Nährmedium gedieh SolV prächtig.Eine Analyse des Schlammtopfwassers zeigte außergewöhnlich hohe Gehalte an Lanthanoiden wie La (0,7 μM), Ce (1,4 μM), Pr (0,13 μM) und Nd (0,45 μM).4) Üblicherweise sind die Gehalte an Lanthanoiden in der Umgebung weitaus niedriger: So enthalten beispielsweise Flüsse in den Niederlanden oder England nanomolare Mengen an Cer, während Meerwasser oft sogar nur picomolare Mengen aufweist.5)Im Solfatara-Krater herrschen Temperaturen von 60 °C und eine extrem saure Umgebung (pH = 1 – 2), da dort Mikroben H2S in Schwefelsäure umwandeln. Das liefert optimale Bedingungen, um die in der Natur fein verteilten und in der Erdkruste gar nicht so selten vorkommenden Lanthanoide zu lösen (Häufigkeit von Ce etwa 66 ppm,6) Cu etwa 60 ppm und Zn etwa 70 ppm).Aus SolV isolierten und kristallisierten die Forscher die erste Ln-abhängige MDH und klärten deren Struktur auf (Abbildung 2).4) Wie sich später zeigte, lässt sich SolV auch mit einzelnen Lanthanoiden wie Europium kultivieren.4,7)<figure><img src="https://media.graphcms.com/AAJzlbtPTayl1k1gUjVK"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Monomer (oben links) und aktives Zentrum (oben rechts) der ersten Eu-Methanoldehydrogenase (MDH), isoliert aus dem Bakterium SolV (Protein Data Bank (PDB): Code 6FKW).7) Die erste Kristallstruktur wurde mit Cer im aktiven Zentrum verfeinert (unten rechts), enthielt aber eine Mischung der frühen Lanthanoide La, Pr, Nd, Ce (PDB: 4MAE).4) Unten links: Aktives Zentrum von Ca-MDH (M. extorquens, PDB: 1W6S). Sauerstoff rot, Stickstoff blau, Kohlenstoff beige.</figcaption></figure>
Das xoxF-Gen, welches für das lanthanoidabhängige XoxF-Enzym codiert, ist weit verbreitet in methanotrophen und methylotrophen Bakterien. Hierbei steht x für die lange Zeit unbekannte Funktion des XoxF-Enzyms, und oxF ist an die Ca-MDH angelehnt (früher MoxF, heute MxaF). Die Mikrobiologen stellten fest: Bakterien, die Lanthanoide nutzen, sind weit verbreitet in Gewässern, im Boden, auf Pflanzen und in lebensfeindlich anmutenden Umgebungen wie den Vulkanschlammtöpfen. Selbst in methanreichem, lanthanoidarmem Meerwasser kommen sie vor, wie sich nach der Explosion der Deepwater-Horizon(DWH)-Plattform im Jahr 2010 im Golf von Mexiko zeigte.8) Man unterscheidet verschiedene Subtypen (XoxF1 bis 5) der MDH-Enzyme, die sich nach ersten Analysen in biochemischen Eigenschaften wie pH-Optimum, Substratspezifität und katalytischer Effizienz unterscheiden.7–9)<h2>Was bisher bekannt ist</h2>Bakterien können nicht jedes Lanthanoidion nutzen. Besonders die frühen, größeren Lanthanoide unterstützen sowohl das Wachstum der Bakterien als auch die Aktivität der isolierten Alkoholdehydrogenasen.7,10) Wie sich in einer Studie an den Wasserproben zeigte, die um die DWH-Plattform genommen wurden, reicherten sich dort durch das hohe lokale Aufkommen an methanotrophen Bakterien hauptsächlich La, Ce, Pr und Nd im Meerwasser ab.11)Lange bekannt und gut studiert sind die eng verwandten Methanoldehydrogenasen, die Calcium(II) als Lewis-Säure im aktiven Zentrum tragen (Abbildung 2) und durch das mxaF-Gen codiert werden. Manche Bakterien wie SolV haben ausschließlich das xoxF-Gen und können damit nur das Ln-MDH-(XoxF)-Enzym exprimieren – nur ein Lanthanoid ermöglicht also ihr Wachstum. Andere Organismen wie M. extorquens haben beide Gene.Wie Studien von Martinez-Gomez und Mitarbeitern von der Michigan State University zeigen, exprimiert M. extorquens schon bei Konzentrationen von 2,5 nM Lanthanoid bevorzugt die Ln-MDH, und auch bei Konzentrationen von 20 μM Calcium im Medium hat das Ca-MDH-(MxaF)-Enzym nur eine untergeordnete Rolle. Dessen Expression wird sogar unterdrückt. Wie genau dieser als „Lanthanide Switch“ bezeichnete Schaltmechanismus funktioniert, ist noch nicht vollständig geklärt.8)Die Bakterien müssen bis dato unbekannte, hocheffiziente Aufnahmemechanismen für diese Elemente nutzen – denn sie wachsen sogar mit weniger als nanomolaren Ln-Konzentrationen.4)Nicht nur Methanol dient als Substrat für Ln-anhängige Enzyme. Auch Formaldehyd, das Produkt aus der Methanoloxidation, eignet sich.10b) Zudem wurde im Jahr 2016 die erste Ln-abhängige Ethanoldehydrogenase ExaF entdeckt.12) Die Ln-Biochemie konzentriert sich also nicht nur auf den C1-Metabolismus.Ln-abhängige Enzyme sind überdies nicht auf methylotrophe Organismen beschränkt: Aus dem Bodenbakterium Pseudomonas putida wurde die Ln-Alkoholdehydrogenase PedH isoliert.10a)<h2>Das aktive Zentrum</h2>Lanthanoide verhalten sich durch die Abschirmung der 4f-Elektronen zueinander chemisch ähnlich, mit einer präferierten Oxidationszahl von +III (wobei einige Vertreter zusätzlich die Oxidationszahlen +II und +IV aufweisen). Ein Merkmal der Lanthanoide: Ihr Atom- und Ionenradius sinkt mit steigender Ordnungszahl im Zuge der Lanthanoidenkontraktion.Calcium(II) hat einen ähnlichen Ionenradius wie die frühen dreiwertigen Lanthanoide und bevorzugt ähnliche Liganden, nämlich Sauerstoffdonoren. CaII weist jedoch oft eine kleinere Koordinationszahl auf, was sich in den unterschiedlichen aktiven Zentren der Methanoldehydrogenasen widerspiegelt (Abbildung 2).2a)Das Calciumion im aktiven Zentrum der MxaF-MDH von M. extorquens (Abbildung 2) wird koordiniert vom Redox-Cofaktor Pyrrolochinolinchinon (PQQ) sowie den Aminosäuren Glu177, Asn261 und Asp303. Ähnlich aufgebaut ist die XoxF-Ln-MDH von SolV, die bisher einzige Ln-MDH, deren Struktur charakterisiert ist. Hier ist eine zusätzliche koordinierende Aminosäure (Asp301) im aktiven Zentrum, was die Vorliebe der Lanthanoidionen für höhere Koordinationszahlen unterstreicht. Das Zentralmetall fungiert als Lewis-Säure, welche die C-O-Bindung des Cofaktors PQQ aktiviert (Abbildung 3a).<figure><img src="https://media.graphcms.com/jY4rX5vpR0aqaspGFyRl"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Methanoloxidation durch MDH und Schlüsselschritte der beiden möglichen Mechanismen von Ca-MDH.</figcaption></figure>
Außer dieser Funktion werden zusätzliche Aufgaben wie Orientierung und Aktivierung des Substrats sowie Einfluss auf den Redoxkreislauf des Cofaktors diskutiert. Nun sind die späten Lanthanoide zwar die stärkeren Lewis-Säuren und sollten den Cofaktor dadurch besser aktivieren, jedoch zeigt die XoxF-MDH von SolV keine oder nur verminderte Aktivität in vitro, wenn späte Lanthanoide wie Lu oder Yb hinzugefügt werden. Daher wächst beispielsweise SolV vermutlich auch nicht mit Yb.7,13) Lewis-Acidität ist also offenbar nicht das alleinige Kriterium, und damit lässt sich höchstens der mögliche evolutionäre Vorteil von Ln-MDH gegenüber Ca-MDH erklären. Um die Zusammenhänge zu verstehen, muss der Mechanismus dieser Enzyme geklärt werden.Für die seit 50 Jahren studierte Ca-MDH werden Varianten zweier Mechanismen diskutiert. Im Schlüsselschritt wird entweder das deprotonierte Substrat auf das C5-Carbonylatom des Cofaktors übertragen, wobei ein Hemiketal entsteht, oder das Substrat wird deprotoniert, wobei ein Hydrid auf das C5-Atom des Cofaktors übergeht (Abbildungen 3b und c, S. 947). Der Cofaktor PQQ wird dabei zum Chinol (PQQH2) reduziert und anschließend durch den Elektronenakzeptor Cytochrom in vivo reoxidiert (Abbildung 3a).Um zu klären, wie die Ln-MDH Methanol oxidiert, ist es von Vorteil, dass die Lanthanoide spektroskopisch aktiv sind. Neben der Spektroskopie sind Synthese und Untersuchung von Modellkomplexen wichtige Werkzeuge, um Enzymmechanismen besser zu verstehen. Schelter und Mitarbeiter synthetisierten im Jahr 2018 einen solchen Modellkomplex mit Lanthan und einem vereinfachten PQQ-Derivat (Abbildung 4).14) Mit diesem Modell ließ sich Benzylalkohol zu Benzaldehyd oxidieren. Darüber hinaus zeigten DFT-Rechnungen, dass hier der Hydridtransfer energetisch begünstigt ist.<figure><img src="https://media.graphcms.com/sm5kHYVRQ5yQd1teot7U"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Ligand LQQ sowie die Kristallstruktur des ersten La-LQQ-MDH-Modellkomplexes.14)</figcaption></figure>
<h2>Resümee</h2>Warum hat es verhältnismäßig lange gedauert, bis Forscher auf die biologischen Funktionen der Lanthanoide aufmerksam wurden?2b,8,15) Diesen Elementen hängt immer noch der Mythos an, dass sie nicht besonders häufig wären – schließlich gehören sie ja zu den Seltenen Erden. Sie machen ihrem Namen aber keine Ehre: Feinstverteilt sind sie überall in Spuren vorhanden. Nanomolare Konzentrationen reichen, um bakterielles Wachstum anzukurbeln. Bakterien müssen also extrem effiziente Mechanismen zur Aufnahme von Lanthanoiden haben.Blickpunkt Anorganik berichtet über neue präparative Techniken, den richtigen Umgang mit gefährlichen Stoffen, neue Analysetechniken, Reinigungsverfahren und mehr. Die Beiträge zur Serie verfasst dieses Jahr Lena Daumann.<h2>Vitakasten</h2>Lena Daumann, Jahrgang 1983, studierte in Heidelberg Chemie und promovierte von 2010 bis 2013 an der University of Queensland in Australien über pestizidabbauende Enzyme. Es folgte ein Postdocaufenthalt bei Ken Raymond an der University of California in Berkeley. Seit Mai 2016 ist sie W2-Professorin mit Tenure Track für bioanorganische Chemie an der LMU München. Ihre Gruppe beschäftigt sich unter anderem mit der essenziellen Rolle von Seltenerdelementen in biologischen Prozessen. Bei diesem Beitrag wurde sie unterstützt von ihrem Doktoranden Henning Lumpe.<div><img src="https://media.graphcms.com/uIUrp0xxQYud3kG23lUS">

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<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 A. Pol, K. Heijmans, H. R. Harhangi, D. Tedesco et al., Nature 2007, 450, 874</li><li>
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12 N. M. Good, H. N. Vu, C. J. Suriano et al., J. Bacteriol. 2016, 198, 3109–3118</li><li>
13 H. Lumpe, A. Pol, H. J. M. O. d. Camp, L. J. Daumann, Dalton Trans. 2018, 47, 10463–10472</li><li>
14 A. McSkimming, T. Cheisson, P. J. Carroll, E. J. Schelter, J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 1223–1226</li><li>
15 a) E. Skovran, N. C. Martinez-Gomez, Science 2015, 348, 862–863; b) L. Chistoserdova, World J. Microbiol. Biotechnol. 2016, 32, 138; c) J. D. Semrau, A. A. DiSpirito, W. Gu, S. Yoon, Appl. Environ. Microbiol. 2018, 84:e02289-17</li><li>
16 Wikipedia US Coast Guard, <a href="https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10089914" target="_blank">https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10089914</a>, aufgerufen Juni 2018</li></ul>

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