Enzym-Rätsel ohne Quantencomputer gelöst

Stickstoff ist überall – fast 80 Prozent unserer Atmosphäre bestehen daraus. Doch für die meisten Lebewesen ist er unbrauchbar, weil er als stabiles N2-Molekül vorliegt, das sich kaum aufspalten lässt. Erst die Nitrogenase, ein Enzym, das sich vor drei Milliarden Jahren in frühen Mikroben entwickelte, machte den Stickstoff für die Natur nutzbar: Sie wandelt ihn in Ammoniak um, die Grundlage für Dünger und damit für Pflanzenwachstum.

Genau dieser Vorgang ist seit Jahrzehnten ein Rätsel der Chemie. Das aktive Zentrum der Nitrogenase, ein Cluster aus Eisen- und Molybdänatomen, ist eines der komplexesten Systeme in der Biologie. Die Elektronen darin sind so stark miteinander verbunden, dass man sie nicht einzeln betrachten kann – eine Herausforderung, für die viele Fachleute einen Quantencomputer für nötig hielten.

Garnet Chan, Chemiker am California Institute of Technology, war anderer Meinung. Er und sein Team haben nun mit rein klassischen Methoden die Grundzustandsenergie dieses Clusters berechnet – ein Durchbruch, der zeigt, dass leistungsstarke Quantencomputer für diese Aufgabe nicht zwingend erforderlich sind. „Dies ist keine unmögliche Aufgabe, für die man erst einen Quantencomputer bauen muss, um etwas zu verstehen“, sagt Chan.

Die Arbeit ist nicht nur ein Triumph für die theoretische Chemie, sondern hat auch praktische Bedeutung. Der industrielle Haber-Bosch-Prozess, der heute Ammoniak für Dünger produziert, verbraucht enorme Mengen Energie und erzeugt Treibhausgase. Wenn Forschende die Nitrogenase besser verstehen, könnten sie biologische oder bioinspirierte Verfahren entwickeln, die bei Raumtemperatur und Normaldruck arbeiten – und damit die Landwirtschaft nachhaltiger machen.

Kritiker wie der Quantenphysiker James Whitfield vom Dartmouth College geben zu bedenken, dass die Berechnung Jahre dauerte und nicht ohne Weiteres auf andere Probleme übertragbar sei. Dennoch ist der Erfolg ein starkes Signal: Nicht jedes komplexe Problem braucht die neueste Technologie – manchmal reicht es, die vorhandenen Werkzeuge klug einzusetzen.