Wissenschaftler veröffentlichen erste experimentelle Beweise für neue Gruppen methanproduzierender Organismen

Ein Team von Wissenschaftlern der Montana State University hat den ersten experimentellen Beweis dafür erbracht, dass zwei neue Gruppen von Mikroben, die in den thermischen Merkmalen des Yellowstone-Nationalparks wachsen, Methan produzieren – eine Entdeckung, die eines Tages zur Entwicklung von Methoden zur Eindämmung des Klimawandels und zur Bereitstellung von Methan beitragen könnte Informationen über mögliches Leben anderswo in unserem Sonnensystem.

Die Zeitung Natur Diese Woche wurden Ergebnisse aus dem Labor von Roland Hatzenpichler veröffentlicht, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Chemie und Biochemie am College of Letters and Science der Michigan State University und stellvertretender Direktor des Instituts für Thermobiologie der Universität.

Die beiden wissenschaftlichen Arbeiten beschreiben die Überprüfung der ersten bekannten Beispiele einzelliger, methanproduzierender Organismen außerhalb der Euryarchaeota-Linie durch Forscher der Michigan State University, die Teil des größten Zweigs des Methanbaums namens Archaea ist.

Einzellige Organismen, die Methan produzieren, werden Methanogene genannt. Während Menschen und andere Tiere Nahrung zu sich nehmen, Sauerstoff einatmen und Kohlendioxid ausatmen, um zu überleben, fressen Methanogene kleine Moleküle wie Kohlendioxid oder Methanol und atmen Methan aus. Die meisten methanogenen Stoffe sind streng anaerob, das heißt, sie können in Gegenwart von Sauerstoff nicht überleben.

Wissenschaftler wissen seit den 1930er Jahren, dass viele anaerobe Organismen in Archaeen methanogen sind, und jahrzehntelang glaubten sie, dass alle methanogenen Organismen zu einem einzigen Stamm gehörten: den Euryarchaeota.

Doch vor etwa zehn Jahren begann man, Mikroben mit Methanogenese-Genen in anderen Stämmen zu entdecken, insbesondere in einem Stamm namens Thermoproteota. Dieser Stamm enthält zwei mikrobielle Gruppen namens Methanomethylicia und Methanodesulfokora.

„Alles, was wir über diese Organismen wussten, war ihre DNA“, sagte Hatzenpichler. „Niemand hatte jemals eine Zelle dieser sogenannten Methanogene gesehen; Niemand wusste, ob sie ihre Methanogenese-Gene tatsächlich nutzten oder ob sie sich auf andere Weise entwickelten.

Hatzenpichler und seine Forscher machten sich daran, zu testen, ob die Organismen die Methanogenese überlebten, und stützten sich dabei auf die Ergebnisse einer Studie, die letztes Jahr von einem seiner ehemaligen MSU-Doktoranden, Mackenzie Lynes, veröffentlicht wurde.

Die Proben wurden aus Sedimenten heißer Quellen im Yellowstone-Nationalpark entnommen, deren Temperatur zwischen 61 und 72 Grad Celsius lag.

Durch das, was Hatzenpichler als „mühevolle Arbeit“ bezeichnete, züchteten der MSU-Doktorand Anthony Kohtz und die Postdoktorandin Viola Krukenberg die Yellowstone-Mikroben im Labor. Die Mikroben überlebten nicht nur, sie gediehen auch – und produzierten Methan. Anschließend arbeitete das Team unter Beteiligung des Wissenschaftlers Zackary Jay und anderer Forscher der ETH Zürich daran, die Biologie der neuen Mikroben zu charakterisieren.

Gleichzeitig kultivierte eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Lei Cheng vom Biogas-Institut des chinesischen Ministeriums für Landwirtschaft und ländliche Angelegenheiten und Diana Sousa von der Universität Wageningen in den Niederlanden erfolgreich ein weiteres dieser neuen Methanogene, ein Projekt, an dem sie bereits seit sechs Jahren arbeiteten Jahre.

„Bis zu unseren Studien wurden außer der DNA-Sequenzierung keine experimentellen Arbeiten an diesen Mikroben durchgeführt“, sagte Hatzenpichler.

Er sagte, Cheng und Sousa hätten vorgeschlagen, die Studien gemeinsam zur Veröffentlichung einzureichen, und Chengs Artikel über die Isolierung eines weiteren Methanomethylicia-Mitglieds sei gemeinsam mit Hatzenpichlers beiden Laborstudien veröffentlicht worden.

Während eine der neu identifizierten Gruppen von Methanogenen, Methanodesulfokora, offenbar auf heiße Tiefseequellen und hydrothermale Quellen beschränkt zu sein scheint, ist Methanomethylicia sehr weit verbreitet, sagte Hatzenpichler.

Sie kommen manchmal in Kläranlagen und im Verdauungstrakt von Wiederkäuern sowie in Meeressedimenten, Böden und Feuchtgebieten vor. Hatzenpichler sagte, dies sei wichtig, da Methanogene 70 % des weltweiten Methans produzieren, ein Gas, das nach Angaben der US-Umweltschutzbehörde 28-mal wirksamer als Kohlendioxid darin ist, Wärme in der Atmosphäre zu speichern.

„Der Methanspiegel steigt viel schneller als der Kohlendioxidgehalt, und der Mensch gibt Methan in einem höheren Tempo als je zuvor in die Atmosphäre ab“, sagte er.

Hatzenpichler sagte, dass die Experimente zwar eine wichtige Frage beantworteten, aber viele weitere Fragen aufwarfen, die in zukünftige Arbeiten einfließen werden. Wissenschaftler wissen beispielsweise noch nicht, ob Methanomethylicia, die in nicht extremen Umgebungen leben, zum Wachstum auf Methanogenese angewiesen sind oder ob sie auf andere Weise wachsen.

„Ich denke, manchmal wachsen sie, indem sie Methan produzieren, und manchmal tun sie etwas ganz anderes, aber wir wissen nicht, wann, wie oder warum sie wachsen“, sagte Hatzenpichler. „Wir müssen jetzt herausfinden, wann sie zum Methankreislauf beitragen und wann nicht. »

Während die meisten Methanogene von Euryarchaeota CO verwenden₂ Methanomethylicia und Methanodesulfokora verwenden Verbindungen wie Methanol. Diese Eigenschaft könnte Wissenschaftlern helfen zu lernen, wie sie die Bedingungen in den verschiedenen Umgebungen, in denen sie sich befinden, ändern können, um die Methanemissionen in die Atmosphäre zu reduzieren, sagte Hatzenpichler.

Sein Labor wird im Herbst mit der Zusammenarbeit mit der Bozeman Agricultural Research and Education Farm der MSU beginnen, die Proben für die weitere Forschung zu Methanogenen in Nutztieren bereitstellen wird. Darüber hinaus werden neue Doktoranden, die im Herbst in Hatzenpichlers Labor eintreten, feststellen, ob die neu entdeckten Archaeen Methan in Abwasser, Böden und Feuchtgebieten produzieren.

Methanomethylicia hätten auch eine faszinierende Zellarchitektur, sagte Hatzenpichler. Er arbeitete mit zwei ETH-Wissenschaftlern, Martin Pilhofer und dem Doktoranden Nickolai Petrosian, zusammen, um zu zeigen, dass die Mikrobe bisher unbekannte Interzellularschläuche bildet, die zwei oder drei Zellen miteinander verbinden.

„Wir wissen nicht, warum sie diese Strukturen bilden. Strukturen wie diese wurden bei Mikroben selten beobachtet. Vielleicht tauschen sie DNA aus, vielleicht tauschen sie Chemikalien aus. „Wir wissen es noch nicht“, sagte Hatzenpichler.

Hatzenpichler diskutierte die Ergebnisse beider Studien in einer Online-Konferenz und in einem aktuellen Matters Microbial-Podcast und erstellte diese Infografik zum Methankreislauf.