Anthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions cause an imbalance in the global carbon cycle that consequently leads to global warming. Besides the indisputable role of CO2 as harmful greenhouse gas, this small molecule harbors great potential as a simple and accessible carbon source. To exploit this potential, biotechnological strategies need to be established to convert CO2 into value-added products, like fuels or antibiotics. It is therefore indispensable to identify and characterize efficient carboxylases. To date, the members of the enoyl-CoA carboxylase/reductase (Ecr) family account for the most efficient carboxylases found in nature. Their efficiency partly depends on the effective stabilization of the CO2 molecule within the active site. The conserved CO2-binding motif is characteristic for Ecrs. This work deals with the thorough study of the three-domain fusion enzyme propionyl-CoA synthase (Pcs) of Erythrobacter sp. NAP1. This complex enzyme comprises the Ecr family CO2-binding motif in its reductase domain, suggesting a potential carboxylase activity and therefore deserves detailed investigation. The first part sets a focus on the biochemical features of Pcs. Combined kinetic and structural analysis proposed that Pcs uses a highly synchronized catalytic mechanism to sequester its reactive intermediate acrylyl-CoA. X-ray crystallography revealed an enclosed reaction chamber that features all three active sites of the fusion enzyme. This allows for the catalysis of the three subsequent reactions within the chamber. Kinetic data supported the idea that conformational changes in the Pcs ligase domain regulate the opening and closing of the catalytic compartment. Additional structural elements in Pcs either mimic domains of neighboring protomers in standalone homologues that contribute essential residues for catalysis or seal the reaction chamber. The presumed carboxylation potential of the reductase domain was demonstrated albeit at a very low efficiency in Pcs wildtype. Rational design was used to implement the two principles of efficient carboxylation known from Ecrs into the Pcs reductase domain. Improved CO2-binding and shielding of the active site from water converted the reductase domain into a carboxylase domain. The engineered trifunctional, substrate-channeling carboxylase could prove advantageous in synthetic CO2-fixation pathways. In the second part of this work, light is shed on the physiological and ecological role of Pcs. While well described in the context of the autotrophic 3-hydroxypropionate bi-cycle in Chloroflexus aurantiacus, the presence of Pcs in the genome of several (potential photo-) heterotrophic microorganisms suggests an alternative function. The genome of the aerobic anoxygenic phototrophic bacterium Erythrobacter sp. NAP1 encodes homologous enzymes of a partial 3-hydroxypropionate bi-cycle able to convert acetyl-CoA and two bicarbonate molecules into succinyl-CoA. The two key enzymes, Pcs and malonyl-CoA reductase (Mcr), were shown to be upregulated when the cells were grown in the light. Hence, it was suggested that this pathway might be involved in the adjustment of photosynthesis-induced redox imbalance., Anthropogene Kohlenstoffdioxid (CO2) Emissionen stören das Gleichgewicht im globalen Kohlenstoffzyklus und führen schließlich zur Erderwärmung. Abgesehen von der Funktion als schädliches Treibhausgas, steckt in diesem kleinen Molekül großes Potential als einfache und zugängliche Kohlenstoffquelle. Um dieses Potential jedoch ausnutzen zu können, müssen biotechnologische Strategien entwickelt werden für die Umsetzung von CO2 in höherwertige Produkte, wie Treibstoff oder Antibiotika. Die Identifizierung und Charakterisierung von effizienten Carboxylasen ist daher unabdingbar. Die Familie der Enoyl-CoA Carboxylasen/Reduktasen (Ecr) umfasst die am schnellsten CO2-fixierenden Enzyme, die bisher in der Natur identifiziert wurden. Ihre Effizienz beruht unter anderem auf der erfolgreichen Stabilisierung des CO2-Moleküls im aktiven Zentrum des Enzyms. Das konservierte CO2-Bindungsmotiv ist charakteristisch für Ecrs. Diese Arbeit befasst sich mit der gründlichen Untersuchung des Fusionsenzyms Propionyl-CoA Synthase (Pcs) von Erythrobacter sp. NAP1, welches aus drei Domänen besteht. Die Reduktase-Domäne dieses komplexen Enzyms enthält das CO2-Bindungsmotiv der Ecr Familie, was eine potentielle Aktivität als Carboxylase vermuten lässt und daher genauer untersucht werden soll. Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die biochemischen Eigenschaften von Pcs. Anhand kinetischer und struktureller Analysen wurde vorgeschlagen, dass Pcs einen hoch-synchronisierten Katalysemechanismus nutzt, um das Entweichen des reaktiven Zwischenprodukts Acrylyl-CoA zu verhindern. Proteinkristallographie offenbarte eine geschlossene Reaktionskammer, welche alle drei aktiven Zentren des Fusionsenzyms enthält. Somit wird die Katalyse der drei aufeinanderfolgenden Reaktionen im Innern der Kammer ermöglicht. Kinetische Daten stützten die Idee, dass Konformationsänderungen in der Pcs Ligase-Domäne das Öffnen und Schließen der Kammer regulieren. Zusätzliche strukturelle Elemente in Pcs imitieren entweder Domänen benachbarter Protomere in eigenständigen Homologen, welche wesentliche Aminosäurereste zur Katalyse beitragen, oder verschließen die Reaktionskammer. Das vorgeschlagene Carboxylierungspotential der Reduktase-Domäne konnte nachgewiesen werden, wenn auch nur mit sehr geringer Effizienz im Pcs Wildtyp. Rationales Design wurde angewandt, um die zwei Prinzipien der effizienten Carboxylierung, welche aus den Ecrs bekannt sind, in der Reduktase-Domäne der Pcs anzuwenden. Verbesserte CO2-Bindung und Abschirmung des aktiven Zentrums gegen das Einströmen von Wasser überführten die Reduktase-Domäne in eine Carboxylase-Domäne. Die verbesserte trifunktionelle Carboxylase, welche den direkten Transfer reaktiver Zwischenprodukte von einem aktiven Zentrum zum nächsten ermöglicht, könnte sich in einem synthetischen Stoffwechselweg zur CO2-Fixierung als sehr erfolgreich erweisen. Der zweite Teil dieser Arbeit gibt Aufschluss über die physiologische und ökologische Rolle von Pcs. Pcs wurde ursprünglich im Kontext des autotrophen 3-Hydroxypropionat Bizyklus in Chloroflexus aurantiacus entdeckt und detailliert beschrieben. Die Verbreitung des pcs Gens in mehreren (potentiell photo-) heterotrophen Mikroorganismen suggeriert jedoch noch eine alternative Funktion. Im Genomdes aeroben anoxygenen phototrophen Bakteriums Erythrobacter sp. NAP1 sind neben pcs auch alle Gene des 3-Hydroxypropionat-Bizyklus Abschnittes vertreten, um Acetyl-CoA und zwei Bicarbonat-Moleküle in Succinyl-CoA umzuwandeln. Die zwei Schlüsselenzyme Pcs und Malonyl-CoA Reduktase (Mcr) waren in höheren Mengen vertreten, wenn die Zellen bei Licht wuchsen. Folglich wurde vorgeschlagen, dass dieser Stoffwechselweg in der Regulierung eines Redox-Ungleichgewichts beteiligt ist, welches durch photosynthetische Aktivität ausgelöst wird.