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Rätsel um den mikrobiellen Butanabbau geknackt

17.10.2016

For­scher aus dem Max-Planck-In­sti­tut für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie in Bre­men und Kol­le­gen am Helm­holtz-Zen­trum für Um­welt­for­schung (UFZ) in Leip­zig ha­ben ei­nen neu­en Weg ent­deckt, wie mi­kro­bi­el­le Ge­mein­schaf­ten den che­misch trä­gen Koh­len­was­ser­stoff Bu­tan auch ohne Sau­er­stoff zur En­er­gie­ge­win­nung nut­zen kön­nen. In Pro­ben aus dem Gu­ay­mas-Be­cken im Golf von Ka­li­for­ni­en mach­ten sie Kon­sor­ti­en aus bis­her un­be­kann­ten Ar­chae­en und Bak­te­ri­en aus­fin­dig, die Bu­tan über neue Stoff­wech­sel­we­ge fres­sen. Ver­öf­fent­licht sind die For­schungs­er­geb­nis­se jetzt im Fach­jour­nal Nature.

 

Gasförmige Kohlenwasserstoffe im Meeresboden


Man braucht nur einen gasförmigen Kohlenwasserstoff, Sauerstoff und eine Zündquelle: Ob im Gasherd, im Feuerzeug, oder im Campingkocher – Erdgas ist dank seiner hohen Energiedichte ein begehrter Energieträger. Erdgas ist im Meeresboden häufig anzutreffen. In den oberen Schichten des Meeresbodens entsteht vorrangig Methan, dies als Produkt sogenannter methanogener Archaeen. Die wirtschaftlich interessanten Gasvorkommen befinden sich jedoch in viel tieferen Schichten des Meeresbodens. Dort wird organisches Material – also Reste abgestorbener Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen – unter hohen Temperaturen rein chemisch in gasförmige Kohlenwasserstoffe und Erdöl umgewandelt. Dieses Erdgas enthält auch einen großen Anteil kurzkettiger Kohlenwasserstoffe wie Propan und Butan, welche unter leichtem Druck schon flüssig werden. Wenn dieses Erdgas im Meeresboden in belebte Sedimentschichten aufsteigt, können es Mikroorganismen als Energiequelle nutzen. Direkt an der Oberfläche der Sedimente verbrauchen Bakterien es mit dem chemisch sehr aktiven Sauerstoff. Ist kein Sauerstoff mehr vorhanden, finden andere Mikroorganismen alternative Wege um das Erdgas für sich zu nutzen. 



Wie Mikroorganismen ohne Sauerstoff Erdgas als Energiequelle nutzen können


Unterschiedliche Mikroorganismen haben sich auf die Nutzung verschiedener Kohlenwasserstoffe spezialisiert. Die Anaerobe Oxidation von Methan (AOM) ist seit einigen Jahren bekannt. Methan wird ohne Sauerstoff in Konsortien von Archaeen und Bakterien abgebaut. Die Methan oxidierenden (methanotrophen) Archaeen nutzen dabei dieselben Enzyme wie ihre Methan erzeugenden Verwandten, allerdings in umgekehrter Richtung. Das molekulare Stemmeisen um Methan zu aktivieren, trägt den Namen Methyl-Coenzym-M-Reduktase (MCR), welches die ANME Archaeen in großen Mengen herstellen. In diesem Enzym wird das Methanmolekül mit der Schwefelverbindung Coenzym M verknüpft und in weiteren Reaktionen komplett zu Kohlendioxid (CO2) oxidiert. Anstelle Sauerstoffs dient als Oxidationsmittel Sulfat, das in den Sulfat reduzierenden Partnerbakterien zu Schwefelwasserstoff umgewandelt wird. Als Abbauer kurzkettiger Kohlenwasserstoffe mit drei oder mehr Kohlenstoffatomen sind bisher nur Bakterien beschrieben worden, die ihr Substrat komplett oxidieren und selbständig an die Reduktion von Sulfat koppeln.

Der neue Abbauweg für Butan basiert auf den Prinzipen des Methanabbaus

Nun haben Forscher in Sedimenten von den heißen Quellen des Guaymas Beckens neue Konsortien aus Archaeen und Partnerbakterien entdeckt, die mit Butan als einziger Nahrungsquelle angereichert werden konnten und dabei Sulfid produzieren. In dem Genom der Archaeen fanden sie nicht die bekannten Gensequenzen des anaeroben Butanabbaus. „Stattdessen fanden wir verschiedene Gensequenzen, die entfernt mit den MCR-Genen der methanogenen und methanotrophen Archaeen verwandt sind. Konnten die in diesen Genen verschlüsselten Enzyme wirklich auch das Butan angreifen? Und welche weiteren Schritte wären danach für den kompletten Abbau von Butan notwendig?“ fragte sich Rafael Laso-Pérez, Doktorand am Max-Planck-Institut und Erstautor der jetzt in Nature veröffentlichten Studie. Einen entscheidenden Beweis für diese ungewöhnliche chemische Aktivierung wurde über den Nachweis des chemischen Produkts geliefert: Sollte die Butan-Aktivierung ähnlich dem anaeroben Methanabbau verlaufen, dann müsste das Produkt Butyl-Coenzym M nachweisbar sein. Dies gelang UFZ-Mikrobiologe Dr. Florin Musat und seinen Kolleginnen und Kollegen mithilfe eines ultra-hochauflösenden Massenspektrometers am UFZ in Leipzig.
„Methyl-Coenzym-M-Reduktasen wurden bisher als typische Vertreter Methan-spezifischer Enzyme bekannt. Mit dem Nachweis von Butyl-Coenzym M konnten wir klar zeigen, dass spezielle Methyl-Coenzym-M-Reduktasen nicht nur Methan sondern auch größere Kohlenwasserstoffe aktivieren“, erläutert Florin Musat.



 

Shelly Dawicki
Das Tauchboot Alvin des Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), mit dem die Forscher mit ihren Kollegen von der University of South Carolina in Chapel Hill die ursprünglichen Sedimentproben in 2000 m Wassertiefe entnommen und zum Schiff gebracht haben (Shelly Dawicki © Woods Hole Oceanographic Institution).
Rafael Laso-Pèrez and Victoria Orphan
Schema der Butanoxidation in Archaee mit dem Namen Candidatus Syntrophoarchaeum butanivorans und der gekoppelten Sulfatreduktion im Partnerbakterium HotSeep-1. Butan bindet in der MCR an das Coenzym M und Butyl-Coenzym M wird gebildet. Das Butan wird in der Archaee komplett zu Kohlendioxid (CO2) oxidiert. Die freiwerdenden Elektronen werden dem sulfatreduzierenden Bakterien (Hotseep-1) über Nano-Drähte übertragen.

Auch der wei­te­re Ab­bau von Bu­tyl-Co­en­zym M konn­te auf­ge­klärt wer­den. Er ver­läuft teils über be­kann­te Me­cha­nis­men der Me­tha­no­ge­ne­se und der Me­than­oxi­da­ti­on. Zu­sätz­lich konn­ten Ab­bau­we­ge für But­ter­säu­re (Bu­ty­rat) und Es­sig­säu­re iden­ti­fi­ziert wer­den. Ge­mein­sam er­mög­li­chen die­se Ab­bau­we­ge die kom­plet­te Oxi­da­ti­on von Bu­tan in den Ar­chae­en. „Da­bei wur­den vie­le Lö­sun­gen von an­de­ren Or­ga­nis­men im­ple­men­tiert. Man spricht hier von ei­nem ho­ri­zon­ta­len Gen­trans­fer“ er­läu­tert Dr. Gun­ter We­ge­ner, In­itia­tor der Stu­die: „Es war ein lan­ger Weg zur Lö­sung die­ses Rät­sels und vie­le For­scher wa­ren dar­an be­tei­ligt.“ 
Wie ihre Me­than oxi­die­ren­den Ver­wand­ten sind die­se Bu­tan­oxi­die­rer al­ler­dings nicht in der Lage, die bei der Oxi­da­ti­on ih­res Sub­strats frei­wer­den­den Elek­tro­nen selbst auf ei­nen Elek­tro­nen­ak­zep­tor zu über­tra­gen. Ge­nau wie in AOM-Kon­sor­ti­en sind sie da­bei auf Part­nerbak­te­ri­en an­ge­wie­sen. 
„Auf elek­tro­nen­mi­kro­sko­pi­schen Auf­nah­men der Bu­tan­kul­tur sind win­zi­ge Pro­tein­ver­bin­dung zwi­schen Ar­chae­en und Bak­te­ri­en zu se­hen. Durch die­se Mi­kro-Dräh­te flie­ßen die Elek­tro­nen. Auf­grund sei­ner Ei­gen­schaf­ten als mit ei­nem Part­nerbak­te­ri­um le­ben­den But­an­fres­ser ha­ben wir den Ar­chae­en den Na­men Syn­tro­pho­ar­cha­e­um bu­ta­ni­vor­ans ge­ge­ben. Ein syn­tro­pher Aus­tausch von Elek­tro­nen über Pro­tein­ver­bin­dun­gen ist da­mit in ei­nem wei­te­ren Or­ga­nis­mus ge­zeigt“, er­läu­tert Dr. Gun­ter We­ge­ner und er­gänzt:„Wir bli­cken bei die­sen Kon­sor­ti­en ver­mut­lich tief in die Ver­gan­gen­heit, denn eine Ak­ti­vie­rung von Bu­tan über den Co­en­zym M-Me­cha­nis­mus und die Auf­ga­ben­tei­lung in zwei Or­ga­nis­men scheint die ur­sprüng­li­che Lö­sung der Na­tur zu sein“.

Rafael Laso-Pèrez and Victoria Orphan
Spezifische Färbung der Zellen in einem Butan-oxidierenden Konsortium. Rote Färbung zeigt die Archaeen (Candidatus Syntrophoarcheum butanivorans) grüne Färbung die Bakterien (Hotseep-1) an. (Quelle: Rafael Laso-Pèrez and Victoria Orphan, Caltech, USA).
Copyright: Andre Künzelmann
Holler
Von hier stammen die Proben. Das Guaymas-Becken im Golf von Kalifornien.


Links unten: Dr. Florin Musat am ultrahochauflösenden Massenspektrometer im UFZ. Dieses Gerät ist wichtiger Bestandteil der Technologieplattform ProVIS, die Forschern weltweit die Möglichkeit zu mikroskopischen Einblicken in Zellen und ihre räumliche Anordnung bietet. (UFZ / André Künzelmann).

 

Offene Fragen bleiben
Wo auf der Erde kommen diese gerade entdeckten Konsortien noch vor? Warum und unter welchen Bedingungen setzt sich diese Aufgabenteilung in Form von Konsortien zweier Organismen gegenüber einer Kopplung in einer Zelle durch? Gibt es andere Methyl-Coenzym-M-Reduktasen, die höherkettige Alkane aktivieren können? Diesen spannenden Fragen werden sich die Forscher am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie und dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) zukünftig widmen.

 

 

Beteiligte Institute
Max-Planck-In­sti­tut für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie, Bre­men
MA­RUM, Zen­trum für Ma­ri­ne Um­welt­wis­sen­schaf­ten, Uni­ver­si­tät Bre­men
Max-Planck-In­sti­tut für Bio­phy­si­ka­li­sche Che­mie, Göt­tin­gen, Ger­ma­ny. 
Al­fred-We­ge­ner-In­sti­tut, Helm­holtz-Zen­trum für Po­lar- und Mee­res­for­schung, Bre­mer­ha­ven
Cen­trum für Bio­tech­no­lo­gie, Uni­ver­si­tät Bie­le­feld
Helm­hotz Cent­re for En­vi­ron­men­tal Re­se­arch – UFZ, Leip­zig 

 

Originalveröffentlichung

Ther­mo­phi­lic ar­chaea ac­tiva­te bu­ta­ne via al­kyl-CoM for­ma­ti­on. Ra­fa­el Laso-Pé­rez, Gun­ter We­ge­ner, Kat­rin Knit­tel, Fried­rich Wid­del, Ka­tie J. Har­ding , Vio­la Kru­ken­berg, Di­mi­tri V. Mei­er, Mi­cha­el Rich­ter, Ha­li­na E. Te­get­mey­er, Diet­mar Rie­del, Hans-Her­mann Rich­now, Lo­renz Adri­an, Thors­ten Reemts­ma, Oli­ver Lech­ten­feld, Flo­rin Musat. Na­tu­re, 2016 doi: 10.1038/​na­tu­re20152

 

 

Rückfragen an
Ra­fa­el Laso-Pe­rez, Max-Planck-In­sti­tut für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie,
D-28359 Bre­men, Te­le­fon: 0421 2028 867, rl­pe­rez@mpi-bre­men.de

Dr. Gun­ter We­ge­ner, Max-Planck-In­sti­tut für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie, 
D-28359 Bre­men, Te­le­fon: 0421 2028 867, gwe­ge­ner@mpi-bre­men.de

Dr. Flo­rin Musat, Helm­holtz-Zen­trum für Um­welt­for­schung (UFZ) Leip­zig,
D-04318 Leip­zig, Te­le­fon: 0341 235 1005, flo­rin.musat@ufz.de 

oder wen­den Sie sich an die Presseabteilung des Max-Planck-in­sti­tuts
Dr. Man­fred Schlös­ser und Dr. Fan­ni As­pets­ber­ger 
pres­se@mpi-bre­men.de 0421 2028 704

 
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