Enzyme sind biologische Katalysatoren, sie dienen in Zellen dazu, chemische Reaktionen zu beschleunigen. Die Gruppe der Metalloenzyme umfassen die ältesten und geochemisch bedeutendsten Enzyme auf der Erde. In seiner Forschungsarbeit charakterisiert und modifiziert Prof. Rebelein verschiedene Metalloenzyme, um ihre Reaktivitäten zu verstehen und sie für die Biokatalyse, die Biotechnologie und die synthetische Biologie zugänglich zu machen.
Etwa die Hälfte aller Enzyme enthält Metalle. Die wichtigsten Metalloenzyme enthalten komplexe Cluster aus Eisen und Schwefel. Diese [FeS]-Cluster katalysieren wesentliche chemische Reaktionen, die wahrscheinlich das frühe Leben auf der Erde erst ermöglicht haben. Diese Metallcluster sind aber auch heute wichtig, denn sie ermöglichen wichtige Umwandlungen im globalen Elementkreislauf.
Zu diesen Enzymen gehören
- die „Hydrogenasen“, die die reversible Bildung von Wasserstoff katalysieren;
- die „Kohlenmonoxid-(CO)-Dehydrogenasen“, die die Umwandlung von CO und Kohlendioxid (CO2) katalysieren,
- und die „Nitrogenasen“, die molekularen Stickstoff (N2) zu Ammoniak (NH3) reduzieren. Sie fixieren damit Stickstoff, ein Schlüsselschritt im biologischen Stickstoffkreislauf.
Rebelein zu seinen bisherigen Forschungsergebnissen: „Nitrogenasen reduzieren nicht nur N2, sondern auch Kohlenmonoxid in Zellen zu Kohlenwasserstoffen; hierzu gehören Methan (CH4), Ethen, Ethan, Propen und Propan. Erstaunlicherweise reduzieren diese Enzyme – als einzig bekannte Enzyme überhaupt – auch das Treibhausgas CO2 zu CO und zu Kohlenwasserstoffen.“
Diese Entdeckung von Rebeleins Arbeitsgruppe wirft Fragen über die Bedeutung dieser Enzyme für die Umwelt und die globale Stoffkreisläufe auf. „Wir haben Grundlagenwissen über die Rolle von N2, CO, CO2 und weiteren Schlüsselmolekülen im Kohlenstoff-, Stickstoff- und Schwefelkreislauf gelegt. Diese Kenntnisse sind auch für eine nachhaltige Bioökonomie von Bedeutung“, so Rebelein. Denn auf dieser Grundlage können Kohlenwasserstoffe, Kraftstoffen und Grundchemikalien produziert werden.
An der HHU will Prof. Rebelein seinen Forschungsansatz fundamental erweitern: „Mit meiner Arbeitsgruppe will ich einerseits das volle Potential von Metalloenzymen aufklären und andererseits künstliche Metalloenzyme konstruieren, um den bakteriellen Stoffwechsel für die Umwandlung von CO2 zu optimieren. Dies kann möglicherweise auch dafür genutzt werden, um das Treibhausgas der Atmosphäre zu entziehen und langfristig zu fixieren.“
Zur Person
Johannes Rebelein (geboren 1986 in Coburg) studierte Biotechnologie an der Technischen Universität Braunschweig (Bachelor 2010, Master 2012). An der University of California in Irvine promovierte er 2016 im Fach Biowissenschaften mit der Arbeit „Conversion of small Carbon Compounds by Nitrogenase Proteins“. Als Postdoc ging er zunächst an die Universität Basel (bis 2020), wechselte dann nach Marburg, um dort Forschungsgruppen an der Philipps-Universität Marburg und am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie zu leiten. Zum 1. April 2026 wird er W3-Professor für Nachhaltige Biotechnologie an der HHU und Direktor des Instituts für Molekulare Enzymtechnologie der HHU am Forschungszentrum Jülich.
Im Fokus seiner Forschungen liegen Metalloenzyme, die zum einen evolutionsbiologisch sehr wichtig sind und die zum anderen breite Anwendungen in der Biotechnologie finden; mit ihnen können verschiedene Kohlenwasserstoffe und Grundchemikalien nachhaltig hergestellt werden. Rebelein veröffentlichte über 25 Artikel in begutachteten wissenschaftlichen Zeitschriften, unter anderem in Nature Catalysis, Science Advances und Nature Communications. Darüber hinaus war er an vier Buchkapitel in verschiedenen Standardwerken beteiligt. Unter anderem ernannte ihn die European Molecular Biology Organization zum „Young Investigator“, er erhielt 2024 den Forschungspreis der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie und die Deutsche Forschungsgemeinschaft nahm ihn ins Emmy-Noether-Programm auf.