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Nov 06, 2023

Einblicke in eine „heiße“ Mikrobe, die auf Stickstoff wachsen und dabei Methan produzieren kann

22. November 2022 von

22. November 2022

von der Max-Planck-Gesellschaft

Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie ist es gelungen, die Kultivierung eines Mikroorganismus, der Stickstoff (N2) binden und gleichzeitig Methan (CH4) und Ammoniak (NH3) produzieren kann, voranzutreiben und spannende Details seines Stoffwechsels zu untersuchen.

Kohlenstoff und Stickstoff sind wesentliche Elemente des Lebens. Einige Organismen nehmen Schlüsselpositionen für den Kreislauf beider ein – darunter Methanothermococcus thermolithotrophicus. Hinter dem komplizierten Namen verbirgt sich eine komplizierte Mikrobe. M. thermolithotrophicus ist ein marines wärmeliebendes Methanogen.

Es lebt in Meeressedimenten, von Sandküsten und Salzmarschen bis hin zur Tiefsee, vorzugsweise bei Temperaturen um 65 °C. Es ist in der Lage, Stickstoff (N2) und Kohlendioxid (CO2) unter Verwendung von Wasserstoff (H2) in Ammoniak (NH3) und Methan (CH4) umzuwandeln. Beide Produkte, Ammoniak und Methan, sind für biotechnologische Anwendungen in der Düngemittel- und Biokraftstoffproduktion sehr interessant.

Tristan Wagner und Nevena Maslać vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie haben es nun geschafft, diese Mikrobe in einem Fermenter zu züchten – ein anspruchsvolles Unterfangen.

„Es ist sehr kompliziert, die perfekten Bedingungen für das Gedeihen dieser Mikrobe zu schaffen und gleichzeitig N2 zu binden – hohe Temperaturen, kein Sauerstoff und ein Auge auf den Wasserstoff- und Kohlendioxidgehalt“, sagt Maslać, die die Forschung im Rahmen ihrer Doktorarbeit durchführte. D. Projekt. „Aber mit etwas Einfallsreichtum und Ausdauer ist es uns gelungen, sie in unserem Labor zum Gedeihen zu bringen und die höchsten bisher gemeldeten Zelldichten zu erreichen.“

Sobald die Kulturen in Betrieb waren, konnten die Wissenschaftler die Physiologie der Mikrobe im Detail untersuchen und ihre Untersuchung später vertiefen, indem sie untersuchten, wie sich der Stoffwechsel der Mikrobe an die N2-Fixierung anpasst. „In enger Zusammenarbeit mit unseren Kollegen Chandni Sidhu und Hanno Teeling haben wir physiologische Tests und differenzielle Transkriptomik kombiniert, was es uns ermöglichte, tiefer in den Stoffwechsel von M. thermolithotrophicus einzudringen“, erklärt Maslać.

Die Stoffwechselfähigkeiten von M. thermolithotrophicus sind rätselhaft: Diese Mikroben nutzen die Methanogenese, einen Stoffwechsel, der auf der frühen anoxischen Erde entstand, um ihre Zellenergie zu gewinnen. Im Vergleich zu Menschen, die Sauerstoff verwenden, um Glukose in Kohlendioxid umzuwandeln, gewinnen Methanogene nur eine sehr begrenzte Energiemenge aus der Methanogenese. Paradoxerweise erfordert die Stickstofffixierung gigantische Energiemengen, die sie erschöpfen würden.

„Sie sind ein bisschen wie Hummeln, die theoretisch zu schwer zum Fliegen sind, es aber offensichtlich trotzdem tun“, sagt Hauptautor Tristan Wagner, Gruppenleiter der Max-Planck-Forschungsgruppe Mikrobieller Stoffwechsel. „Trotz dieser Energiebeschränkung erwiesen sich diese faszinierenden Mikroben in manchen Umgebungen sogar als die wichtigsten Stickstofffixierer.“

Das Enzym, das Organismen zur Stickstofffixierung verwenden, heißt Nitrogenase. Die meisten gebräuchlichen Nitrogenasen benötigen Molybdän, um die Reaktion durchzuführen. Molybdän-Nitrogenase ist bei Bakterien, die als Symbionten in Pflanzenwurzeln leben, gut untersucht. Ihre Nitrogenase kann durch Wolframat gehemmt werden.

Überraschenderweise stellten die Bremer Wissenschaftler fest, dass M. thermolithotrophicus beim Wachstum auf N2 nicht durch Wolframat gestört wird. „Unsere Mikrobe war nur auf Molybdän angewiesen, um N2 zu binden, und wurde von Wolframat nicht gestört, was eine Anpassung der Metallgewinnungssysteme erfordert, was sie für verschiedene potenzielle Anwendungen noch robuster macht“, sagt Maslać.

Die Stickstofffixierung, also die Gewinnung von Stickstoff aus N2, ist der wichtigste Prozess, um Stickstoff in den biologischen Kreislauf einzuführen. Für die industrielle Düngemittelproduktion wird dieser Prozess über das Haber-Bosch-Verfahren durchgeführt, bei dem Stickstoff künstlich fixiert wird, um mit Wasserstoff unter hohen Temperaturen und Drücken Ammoniak zu erzeugen. Es wird zur Herstellung des größten Teils des weltweiten Ammoniaks verwendet, einem wichtigen Dünger für die Aufrechterhaltung der globalen Landwirtschaft.

Das Haber-Bosch-Verfahren ist äußerst energieintensiv: Es verbraucht 2 % der weltweiten Energieproduktion und setzt gleichzeitig bis zu 1,4 % der globalen Kohlenstoffemissionen frei. Daher suchen die Menschen nach nachhaltigeren Alternativen zur Ammoniakproduktion.

„Das von M. thermolithotrophicus verwendete Verfahren zeigt, dass es in der mikrobiellen Welt noch Lösungen gibt, die eine effizientere Ammoniakproduktion ermöglichen und sogar mit der Biokraftstoffproduktion durch Methan kombiniert werden können“, sagt Wagner.

„Mit dieser Studie haben wir verstanden, dass das Methanogen unter N2-Fixierungsbedingungen seine Proteinproduktion opfert, um die Stickstoffbindung zu begünstigen, eine besonders kluge Strategie der Energieumverteilung“, fasst Wagner zusammen. „Unser nächster Schritt wird sein, uns mit den molekularen Details des Prozesses und den beteiligten Enzymen zu befassen sowie andere Teile des Stoffwechsels des Organismus zu untersuchen.“

Die Forschung wurde in mBio veröffentlicht.

Mehr Informationen: Nevena Maslać et al., Vergleichende Transkriptomik beleuchtet die Umgestaltung der Genexpression während der Diazotrophie im thermophilen Methanogen Methanothermococcus thermolithotrophicus, mBio (2022). DOI: 10.1128/mbio.02443-22

Zeitschrifteninformationen:mBio

Zur Verfügung gestellt von der Max-Planck-Gesellschaft