Verschiedene Wege der Kohlenstoffbindung durch methanbildende Mikroorganismen

Methanbildende Mikroorganismen meistern eine der energieintensivsten Herausforderungen der Biologie: die Umwandlung von CO₂ in Methan. Sie nutzen einen energieeffizienten Trick, der als Elektronenbifurkation bezeichnet wird. Nun haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Biophysik und des Max-Planck-Instituts für Terrestrische Mikrobiologie entdeckt, dass verschiedene Mikroorganismen die daran beteiligten Reaktionen auf ganz unterschiedliche Weise verknüpfen. Die Ergebnisse eröffnen ein neues Verständnis für die Vielfalt der molekularen Architekturen, die es ihnen erlauben, die unterschiedlichsten Lebensräume zu besiedeln. 

Methanbildende Mikroorganismen besiedeln sauerstofffreie Umgebungen wie Kläranlagen, den Darm von Tieren oder Sedimente. Sie wandeln Kohlendioxid und Wasserstoff in Methan um – ein Prozess, der eine zentrale Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf spielt und in Biogasanlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energie genutzt wird. Dabei stellt die Fixierung von Kohlendioxid eine energetische Herausforderung dar, da Wasserstoff allein nicht genügend Energie liefert. Die Mikroorganismen lösen dieses Problem durch den biochemischen Mechanismus der Elektronenbifurkation. Ein Enzym, die Heterodisulfid-Reduktase (Hdr), spaltet ein Elektronenpaar: Ein Elektron wird auf einen energiereichen Pfad geleitet, während das andere durch Energiezufuhr auf ein höheres Energieniveau gehoben wird. Diese Aufspaltung liefert ausreichend Energie, um die CO₂-Fixierung durch ein weiteres Enzym, die Formylmethanofuran-Dehydrogenase (Fmd), zu ermöglichen.

Zwei Mikroorganismen, zwei Lösungsstrategien  

Im Jahr 2021 entdeckten Forschende um Bonnie Murphy und Seigo Shima vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt sowie dem Max-Planck-Institut für Terrestrische Mikrobiologie in Marburg, dass bei der Art Methanospirillum hungatei die beiden Enzyme physisch verbunden sind und eine ringförmige Komplexstruktur bilden. Dadurch können Elektronen direkt zwischen den Enzymen übertragen werden. In einer aktuellen Studie untersuchten die Forschenden eine andere methanproduzierende Art, Methanothermobacter marburgensis, und identifizierten eine andere Architektur: Statt eines Rings verbinden zwei Hdr-Einheiten jeweils vier Fmd-Einheiten über ein bislang unbekanntes Protein, MvhB. Dieses Protein ermöglicht einen schnellen Elektronentransfer zwischen den Enzymen.

„Es zeigte sich, dass verschiedene Methanogene dieselbe energetische Herausforderung mit unterschiedlichen molekularen Architekturen bewältigen“, erklärt Erstautor Pablo San Segundo-Acosta. Durch den Vergleich von Gensequenzen verschiedener Arten verfolgten die Forschenden die evolutionäre Entwicklung des Protein-Komplexes und fanden Hinweise darauf, dass die Paarstruktur bereits im gemeinsamen Vorfahren aller Methanproduzenten vorhanden war. „Unsere Analyse legt nahe, dass diese Anordnung ursprünglich entstand, während die ringförmige Struktur später in einer separaten Linie entwickelt wurde.“  

Die Zusammenführung der Enzyme in einem einzigen großen Komplex bietet klare Vorteile: Elektronen können direkt von einem Enzym zum anderen übertragen werden, ohne durch unerwünschte Nebenreaktionen verloren zu gehen. Allerdings hat diese Effizienz einen Nachteil: Die Mikroorganismen sind weniger flexibel bei der Anpassung an veränderte Umweltbedingungen. In ihrer Publikation in der Fachzeitschrift Science Advances erläutern die Forschenden, dass dieses Kosten-Nutzen-Verhältnis die Entwicklung der unterschiedlichen Strategien erklären könnte.  

Mikrobenstrategien anhand genetischer Daten erkennen 

Die neuen Erkenntnisse liefern ein Instrument zur Erforschung zahlreicher bislang wenig untersuchter Arten. „Wenn wir diese Strukturen mit bestimmten genetischen Merkmalen verknüpfen, können wir sie auch in Genomen von Organismen identifizieren, die nie im Labor kultiviert wurden“, erklärt die Co-Leiterin der Studie, Dr. Bonnie Murphy. „Unsere Ergebnisse ermöglichen es, direkt aus der Genomsequenz vorherzusagen, welche molekulare Anordnung eine methanogene Art verwendet – einschließlich solcher aus Kläranlagen, Tierdärmen oder Sedimenten, die bisher nicht isoliert wurden.“  

Da methanbildende Mikroorganismen eine zentrale Rolle in natürlichen und industriellen Kohlenstoffkreisläufen spielen, könnte ein vertieftes Verständnis der Vielfalt ihrer molekularen Mechanismen langfristig die gezielte Nutzung dieser Prozesse verbessern. Damit könnte eine über eine Milliarde Jahre alte mikrobielle Überlebensstrategie zu einem Instrument für eine nachhaltigere Zukunft werden.  

 

(Quelle: Pressemitteilung des MPI für Biophysik, Frankfurt)