Wissenslücke beim Ethan-Abbau geschlossen

Um eines der Rätsel des anaeroben Abbaus gesättigter Kohlenwasserstoffe zu lösen, mussten die Forscher viel Geduld mitbringen. Im Jahr 2002 erhielt der Mikrobiologe Dr. Florin Musat, der damals am Bremer Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie forschte, eine Sedimentprobe, die vom Golf von Mexiko stammt und aus einer natürlichen Erdgasquelle aus mehr als 500 Metern Meerestiefe entnommen wurde. Zehn Jahre lang dauerte es, die Zellkulturen mit dem Archaeon (Archaeen sind Mikroorganismen, die ne­ben den Bak­te­ri­en und den zell­kern­hal­ti­gen Eu­ka­ryo­ten den drit­ten Ast des Baums des Le­bens bilden) in ausreichend großen Mengen zu kultivieren. Diese Kulturen bildeten die Basis für biochemische Experimente zur Entschlüsselung des Energiestoffwechsels der mikrobiologischen Gemeinschaft. Bei seinen regelmäßigen Messungen stellte Musat fest, dass der Mikroorganismus bei Zugabe von Ethan Schwefelwasserstoff produzierte. „Wir dachten damals immer, dass der Abbau von Ethan analog zum Abbau von Butan oder Propan durch Bakterien erfolgen müsste, fanden dafür aber weder den Mechanismus noch mögliche Stoffwechselprodukte“, sagt Musat.

Zudem stellten sie fest, dass Candidatus Argoarchaeum ethanivorans bei der Oxidation von Ethan im Unterschied zum Abbauprozess von Methan, Propan oder Butan keine Aggregate mit den Partnerbakterien bildet. „Das Archaeon und die beiden Bakterienarten wachsen als freie Zellen. Verbindungen wie beispielsweise winzige Mikro-Drähte, über die Elektronen fließen können, fehlen“, sagt Musat. Spannend bleibt deshalb die Frage, wie Candidatus Argoarchaeum ethanivorans und die Bakterien interagieren. Analysen des Metagenoms zeigten, dass das Archaeon keine bekannten Gene für die Sulfatreduktion hat. Das heißt, die Elektronen müssen auf die sulfatreduzierenden Bakterien übertragen werden. Untersuchungen mit der NanoSIMS deuten nun daraufhin, dass der Elektronenaustausch möglicherweise über einen Schwefelkreislauf zustande kommt. „Die Archaeen gewinnen Energie durch den Ethanabbau in einer komplexen Syntrophie (Fressgemeinschaft) mit ihren sulfatreduzierenden Partnern“, erklärt Musat seine Theorie.

Um das Wachstum und die Vermehrung des neu beschriebenen Einzellers zu beschreiben, nutzte das Team um Musat ein Heliumionenmikroskop. Dabei entdeckten die Forscher ungewöhnliche kleine zelluläre Vesikel. Sie zeigen, dass sich die Archaeen durch Sprossung vermehren, was zu ungewöhnlichen kleinen Clustern führt.

Im Genom von Candidatus Argoarchaeum ethanivorans haben die Wissenschaftler alle Gene für eine funktionelle Methyl-Coenzym-M-ähnliche Reduktase (MCR) nachgewiesen, die die Schlüsselreaktion des anaeroben Ethanabbaus katalysiert. Mit einem sehr hochauflösenden Massenspektrometer konnten sie schließlich den Co-Faktor (Ethyl-Coenzym-M), Metaboliten und die notwendigen Proteine nachweisen und somit den Stoffwechselweg entschlüsseln.

Bislang war die Forschung zum Ethan-Abbau in erster Linie Grundlagenforschung. Denkt man jedoch weiter, könnte die Entdeckung der Forscher auch für eine industrielle Anwendung von Nutzen sein. „Wir kennen jetzt die grundlegenden Mechanismen für den Abbau kurzkettiger Kohlenwasserstoffe durch Alkyl-CoM Reduktasen und gehen davon aus, dass die Umkehrreaktion möglich ist. Darüber könnten mit diesen oder ähnlichen Mikroorganismen auf biosynthetischen Wegen Kohlenwasserstoffe produziert werden“, sagt Musat. Das könnte der Auftakt für eine biotechnologische Produktion von synthetischen Treibstoffen sein, zum Beispiel die Nutzung des energiereichen Butans als Treibstoff. Es enthält mehr Energie pro Liter und lässt es sich deutlicher einfacher verflüssigen als beispielsweise Methan – ein Ansatz, den Musat und sein Team für künftige Forschung im Blick haben werden.

Das Sächsische Zentrum zur Visualisierung biochemischer Prozesse auf zellulärer Ebene (ProVIS) wurde im Jahr 2015 am UFZ mit einer Förderung von mehr als zwölf Millionen Euro durch Sachsen, Sachsen-Anhalt, Bund und EU eingerichtet. Die Kombination modernster Geräte ermöglicht es, sowohl einzelne Zellen als auch das Zusammenspiel ganzer Lebensgemeinschaften detailliert zu untersuchen, um sie später für biotechnologische Anwendungen nutzbar zu machen.

Basierend auf einer Pressemeldung des UFZ / Susanne Hufe.

Chen S.C., Musat N., Lechtenfeld O.J., Paschke H., Schmidt M., Said N., Popp D., Calabrese F., Stryhanyuk H., Jaekel U., Zhu Y.G., Joye S.B., Richnow H.H., Widdel F., Musat F.: Anaerobic oxidation of ethane by archaea from a marine hydrocarbon seep; Nature, http://dx.doi.org/10.1038/s41586-019-1063-0