Methanogene Mikrobe stellt einen Stoffwechselweg wieder her, um auf Sulfat zu wachsen

Jan 27, 2024

Marion Jespersen arbeitet an einem Fermenter, in dem M. thermolithotrophicus ausschließlich auf Sulfat als Schwefelquelle wächst.[Tristan Wagner / Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie]

Der Prozess, durch den Pflanzen und Algen Schwefel aufnehmen – die Umwandlung von Sulfat in Sulfid – erfordert viel Energie und erzeugt schädliche Zwischen- und Nebenprodukte, die sofort umgewandelt werden müssen. Aus diesem Grund wurde die Hypothese aufgestellt, dass Methanogene, die normalerweise wenig Energie haben, nicht in der Lage sind, Sulfat in Sulfid umzuwandeln und auf andere Formen von Schwefel angewiesen sind. Die (jahrzehntealte) Entdeckung, dass das Methanogen Methanothermococcus thermolithotrophicus auf Sulfat als einziger Schwefelquelle wächst, hat dies jedoch in Frage gestellt.

Nun deckt eine neue Forschung auf, wie M. thermolithotrophicus dies unter Berücksichtigung der Energiekosten und toxischen Zwischenprodukte bewerkstelligt und warum es das einzige bekannte Methanogen ist, das über diese Fähigkeit verfügt.

Diese Forschung wurde in Nature Microbiology im Artikel „Assimilatorische Sulfatreduktion im marinen Methanogen Methanothermococcus thermolithotrophicus“ veröffentlicht.

„Als ich mit meiner Doktorarbeit begann, musste ich M. thermolithotrophicus wirklich davon überzeugen, Sulfat statt Sulfid zu essen“, sagte Marion Jespersen, Doktorandin am Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie. „Aber nach der Optimierung des Mediums wurde Methanothermococcus zu einem Profi im Wachstum auf Sulfat, wobei die Zelldichten mit denen beim Wachstum auf Sulfid vergleichbar waren.“

Um die molekularen Mechanismen der Sulfatassimilation zu verstehen, identifizierten die Wissenschaftler fünf Gene im Genom des Bakteriums, die das Potenzial haben, mit der Sulfatreduktion verbundene Enzyme zu kodieren.

Durch die Charakterisierung der Enzyme stellten die Wissenschaftler den ersten Sulfat-Assimilationsweg aus einem Methanogen zusammen. Während die ersten beiden Enzyme des Stoffwechselwegs gut bekannt sind und in vielen Mikroben und Pflanzen vorkommen, waren die nachfolgenden Enzyme neu.

„Wir waren verblüfft, als wir sahen, dass es so aussieht, als hätte M. thermolithotrophicus ein Enzym aus einem dissimilatorischen sulfatreduzierenden Organismus gekapert und es leicht modifiziert, um seinen eigenen Bedürfnissen gerecht zu werden“, sagte Jespersen.

Während einige Mikroben Sulfat als Zellbaustein aufnehmen, nutzen andere es, um in einem dissimilatorischen Prozess Energie zu gewinnen – wie es der Mensch beim Einatmen von Sauerstoff tut. Die Mikroben, die eine dissimilatorische Sulfatreduktion durchführen, nutzen dazu einen anderen Satz von Enzymen. Das hier untersuchte Methanogen wandelte eines dieser dissimilatorischen Enzyme in ein assimilatorisches um.

„Eine einfache, aber hochwirksame Strategie und höchstwahrscheinlich der Grund, warum dieses Methanogen auf Sulfat wachsen kann. Bisher wurde dieses spezielle Enzym nur in M. thermolithotrophicus und in keinem anderen Methanogen gefunden“, erklärte Jespersen.

Die letzten beiden Enzyme des Stoffwechselwegs sind darauf ausgelegt, mit zwei Giften fertig zu werden, die bei der Sulfataufnahme entstehen. Das erste, ähnlich einem dissimilatorischen Enzym, erzeugt Sulfid aus Sulfit. Bei der zweiten handelt es sich um eine neue Art von Phosphatase mit robuster Effizienz bei der Hydrolyse des anderen Giftes.

„Es scheint, dass M. thermolithotrophicus genetische Informationen aus seiner mikrobiellen Umgebung gesammelt hat, die es ihm ermöglichten, auf Sulfat zu wachsen. Durch das Mischen und Anpassen assimilatorischer und dissimilatorischer Enzyme hat es seine eigene funktionelle Sulfatreduktionsmaschinerie geschaffen“, sagte Tristan Wagner, PhD, Leiter des Instituts Max-Planck-Forschungsgruppe Mikrobieller Stoffwechsel.

Hydrogenotrophe Methanogene wie M. thermolithotrophicus haben die Fähigkeit, Diwasserstoff und Kohlendioxid in Methan umzuwandeln. Das heißt, sie können das Treibhausgas CO2 in den Biokraftstoff CH4 umwandeln, der beispielsweise zum Heizen von Häusern genutzt werden kann.

Dazu werden Methanogene in großen Bioreaktoren gezüchtet. Ein aktueller Engpass beim Anbau von Methanogenen ist der Bedarf an dem hochgefährlichen und explosiven Schwefelwasserstoffgas als Schwefelquelle. Mit der Entdeckung des Sulfat-Assimilationswegs in M. thermolithotrophicus ist es möglich, Methanogene, die bereits in der Biotechnologie verwendet werden, gentechnisch so zu verändern, dass sie stattdessen diesen Weg nutzen – was zu einer sichereren und kostengünstigeren Biogasproduktion führt.

„Eine ungelöste brennende Frage ist, warum M. thermolithotrophicus Sulfat in der Natur assimilieren würde. Dazu müssen wir ins Feld gehen und sehen, ob die für diesen Weg erforderlichen Enzyme auch in der natürlichen Umgebung der Mikrobe exprimiert werden“, schloss er Wagner.

Melden Sie sich an, um einen Kommentar zu hinterlassen