Na jaren onderzoek is de moleculaire bouw van het enzym bekend dat verantwoordelijk is voor een groot deel van de wereldwijde nitraat- en stikstofproductie door bacteriën. Onder andere de anammoxbacterie gebruikt dit enzym om giftig nitriet om te zetten naar nitraat. Nu opgehelderd is hoe dit enzym precies werkt, schept dat nieuwe mogelijkheden om de anammoxbacterie beter in te zetten voor stroomopwekking uit afvalwater en het produceren van raketbrandstof. Onderzoekers van de Radboud Universiteit en de Max Planck Instituten in Heidelberg en Frankfurt publiceren er vandaag over in Nature Microbiology.
Stikstofetende bacteriën zoals anammox hebben het enzym nitrietoxidoreductase (NXR) nodig om het giftige nitriet naar nitraat om te zetten. Het enzym speelt een centrale rol in de stikstofcyclus in de natuur. Door mestgebruik in de landbouw komt er bijvoorbeeld veel ammonium terecht in de bodem, dat vervolgens wordt omgezet naar nitraat. Nitraat is goed oplosbaar in water, waardoor het gemakkelijk wegspoelt in het grond- en oppervlaktewater. Dat proces is een belangrijke reden waarom te veel stikstof zo’n grote milieuimpact heeft.
Ingewikkeld molecuul
‘Ondanks dat het enzym zo belangrijk is voor de stikstofcyclus, wisten we maar weinig over de werking ervan’, vertelt Mike Jetten, hoogleraar Microbiële ecologie aan de Radboud Universiteit. ‘Het heeft ons meer dan tien jaar gekost om de molecuulstructuur van dit enzym in de anammoxbacterie in kaart te brengen.’
‘NXR blijkt ingewikkeld in elkaar te zitten en onverwachte onderdelen te bevatten’, aldus Thomas Barends van het Max Planck Institute for Medical Research in Heidelberg. ‘Samen met onze collega’s in Frankfurt hebben we er een bouwsteen in gevonden die ervoor zorgt dat het eiwit zich tot lange draden samenvoegt. We hebben nu ook meer inzicht gekregen in hoe eiwitten zich in het algemeen kunnen organiseren in de cel.’
Afvalwater en raketbrandstof
Dat nu eindelijk bekend is hoe NXR werkt, helpt onder andere bij het inzetten van de anammoxbacterie voor interessante toepassingen. Jetten: ‘Anammox heeft dit enzym nodig om te groeien, maar groeit van nature erg traag. Nu kunnen we mogelijk de bottlenecks in het groeiproces opheffen, zodat we de bacterie in kleinere en snellere installaties kunnen toepassen.’
Nijmeegse microbiologen onderzoeken al lange tijd de eigenschappen van de bijzondere anammoxbacterie. Deze is namelijk als enige ter wereld in staat om het schadelijke ammonium om te zetten naar het onschadelijke stikstofgas zonder daarbij zuurstof te gebruiken. Sinds de ontdekking van de bacterie wordt anammox veelvuldig ingezet voor afvalwaterzuivering.
Een jaar geleden ontdekten de microbiologen dat de bacterie stroom kan helpen opwekken uit afvalwater. ‘Deze – in eerste instantie onmogelijke – reactie hebben we mogelijk gemaakt door het NXR-enzym te omzeilen. Het staat ook nog op onze bucketlist om anammox op grote schaal raketbrandstof te laten produceren. Ook hiervoor is het handig als we weten hoe we het enzym beter kunnen omzeilen: dan zal de bacterie zich minder richten op groei, maar meer op het maken van het bijproduct hydrazine, een grondstof voor raketbrandstof. ‘
Publicatie:
‘Architecture of the Intracellular Superstructure-Forming Nitrite Oxidoreductase’, Tadeo Moreno Chicano et al., Nature Microbiology. DOI: 10.1038/s41564-021-00934-8
Meer informatie? Neem contact op met:
- Mike Jetten, m.jetten [at] science.ru.nl (m[dot]jetten[at]science[dot]ru[dot]nl), 024 3652940
- Persvoorlichting en wetenschapscommunicatie Radboud Universiteit, media [at] ru.nl (media[at]ru[dot]nl), 024 361 6000