Rät­sel um den mi­kro­bi­el­len Bu­tan­ab­bau ge­knackt

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.



 

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“.