Ein neues Werkzeug zur Erforschung der natürlichen Methanentstehung

Isocyanide weisen die nickelfreie Methanogenese in Umweltproben nach

Methanbildende Mikroorganismen spielen eine zentrale Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf und tragen wesentlich zum Treibhauseffekt bei. Im Jahr 2025 zeigten Forschende um Dr. Seigo Shima und Dr. Shunsuke Nomura vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, dass Methanogene unter starkem Nickelmangel – wie er in vielen natürlichen Lebensräumen vorkommt – alternative Stoffwechselwege nutzen. Anstelle von nickelabhängigen Enzymen verwenden sie ein nickelfreies Enzym, die [Fe]-Hydrogenase (Hmd). Nun konnte das Team zeigen, dass bestimmte organische Verbindungen, sogenannte Isocyanide, dieses Enzym auch in natürlichen Proben gezielt hemmen. Diese Erkenntnis ermöglicht eine einfache Methode zur Identifikation und Quantifizierung der alternativen Methanbildung in der Natur.

Methanogene Archaeen sind Mikroorganismen, die aus Kohlendioxid (CO₂) und Wasserstoff (H₂) Methan (CH₄) produzieren. Dieser Prozess setzt weltweit erhebliche Mengen Treibhausgas frei. Bislang ging man davon aus, dass diese Mikroorganismen Nickel benötigen, um Energie zu gewinnen, da sie spezielle Enzyme, die [NiFe]-Hydrogenasen, einsetzen, um Wasserstoff zu aktivieren und Elektronen für die Methanbildung bereitzustellen.    

Im Jahr 2025 zeigten Forschende um Dr. Seigo Shima und Dr. Shunsuke Nomura vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, dass Methanogene unter starkem Nickelmangel – wie er in vielen natürlichen Lebensräumen vorkommt – alternative Stoffwechselwege nutzen. Statt nickelabhängiger Enzyme verwenden sie ein nickelfreies Enzym, die [Fe]-Hydrogenase (Hmd), das Eisen als Kofaktor nutzt und Wasserstoff direkt an einen anderen Reaktionspartner überträgt.  Presseartikel

Diese Entdeckung markiert einen Paradigmenwechsel: Die bisherige Annahme, dass nur [NiFe]-Hydrogenasen funktionieren, ist nicht mehr gültig. Unter natürlichen Bedingungen könnte Hmd die Hauptquelle für die Elektronenlieferung im Methan-Stoffwechsel sein und somit eine bedeutende Steuerungsgröße der natürlichen Methanogenese darstellen.

Ein chemischer „Ausschalter“ weist die Reaktion in der Natur nach

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen entwickelten die Forschenden ein Instrument für weiterführende Untersuchungen: Die Hemmung des Enzyms Hmd durch Isocyanide mit hoher Affinität ist bereits bekannt. In der aktuellen Studie prüften sie, ob Isocyanide als gezielte „Schalter“ eingesetzt werden können, um in natürlichen Proben den nickelfreien Methanbildungsweg nachzuweisen. Hierfür testeten sie die Wirkung von Isocyaniden in zwei Systemen. In Zellextrakten von Methanogenen, die unter Nickelmangel kultiviert wurden, wurde die Methanbildung durch Isocyanide stark gehemmt. In lebenden Zellkulturen (Zellsuspensionen) zeigte sich ein ähnliches Ergebnis – insbesondere bei hydrophoben Isocyaniden wie 2-Naphthylisocyanid (NIC), die besser in die Zellen eindringen.  

„Die Hemmung der Methanbildung ausschließlich in Zellen unter Nickelmangel ist ein deutliches Indiz“, erklärt Dr. Shunsuke Nomura. „Dies bedeutet: Wird ein Probenmaterial mit Isocyaniden behandelt und die Methanproduktion nimmt deutlich ab, ist sehr wahrscheinlich der Hmd-abhängige Weg aktiv.“  

Bislang war es schwierig, in Umweltproben direkt zu bestimmen, ob und in welchem Umfang die nickelfreie Methanogenese stattfindet. Methoden wie Metaproteomik oder Metatranskriptomik sind kostenintensiv, komplex und erfordern spezialisierte Labore. Die neue Methode mit Isocyaniden ist hingegen einfach, kostengünstig und in Feldstudien anwendbar, bei denen Proben aus Ozeanböden, Mooren oder Böden gesammelt werden.

„Isocyanide blockieren ausschließlich den nickelfreien Weg und beeinflussen den klassischen Weg nicht“, erläutert Dr. Seigo Shima. „Dies macht sie zu einem idealen Instrument, um die tatsächliche Bedeutung der Hmd-abhängigen Methanbildung in der Natur zu quantifizieren.“ 

Instrument für die Klimaforschung

Die Entdeckung, dass Isocyanide auch unter natürlichen Bedingungen gezielt Hmd hemmen, eröffnet neue Möglichkeiten, die globale Methanproduktion besser zu verstehen. Kennt man den Anteil dieses nickelfreien Weges in natürlichen Ökosystemen, lassen sich die Auswirkungen von Veränderungen im Nährstoffangebot – etwa durch Klimawandel oder menschliche Eingriffe – auf die Methanemissionen präziser abschätzen.

Zudem kann die Methode dazu beitragen, Mikroorganismen zu identifizieren, die sich besonders gut an nährstoffarme Lebensräume anpassen. Darüber hinaus könnte sie künftig zur Erforschung möglicher Gegenmaßnahmen dienen, etwa zur Reduzierung von Methanemissionen in landwirtschaftlichen Systemen oder Kläranlagen.