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Mikrobieller Ethan-Abbau entschlüsselt

Chemie-Cracks am Meeresgrund

| Autor / Redakteur: Susanne Hufe* / Christian Lüttmann

Mikroskopieaufnahme von Candidatus Argoarchaeum
Mikroskopieaufnahme von Candidatus Argoarchaeum (Bild: Matthias Schmidt / UFZ)

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Forscher haben im Golf von Mexiko Ethanfresser gesunden. Die neu entdeckten Mikroben wandeln das reaktionsträge Erdgas Ethan in Abbauprodukte um. Erstmals gelang es Wissenschaftlern nun, die komplexen Stoffwechselvorgänge dieser mikroskopischen Chemie-Cracks zu entschlüsseln.

Leipzig – Ethan ist mit einem Anteil von bis zu zehn Prozent der zweithäufigste Bestandteil von Erdgas. Es ist weltweit in tiefen Gaslagerstätten im terrestrischen und marinen Bereich vorhanden. In diesen unwirtlichen Gegenden leisten Mikroorganismen erstaunliche Arbeit, indem sie das reaktionsträge Molekül oxidieren – und das ohne Anwesenheit von Sauerstoff. Bislang war jedoch unklar, welche Mikroorganismen für diesen anaeroben Abbau des Ethans verantwortlich sind – und wie dieser ihnen im Detail gelingt.

Ethanfresser am Grund des Golfstroms

Nun hat ein Team des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) dieses Rätsel um den anaeroben Abbau gesättigter Kohlenwasserstoffe gelöst Dazu mussten die Forscher viel Geduld mitbringen. Im Jahr 2002 erhielt UFZ-Mikrobiologe Dr. Florin Musat, der damals am Bremer Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie forschte, eine Sedimentprobe. Diese wurde aus einer natürlichen Erdgasquelle in mehr als 500 Meter Tiefe aus dem Golf von Mexiko entnommen. In der Probe fanden die Forscher einen Mikroorganismus – ein Archaeon –, der als verantwortlich für die Ethanoxidation identifiziert wurde. Dem einzelligen Organismus gaben sie den vorläufigen Namen Candidatus Argoarchaeum ethanivorans, was so viel bedeutet wie langsam wachsender Ethanfresser.

Dann dauerte es zehn Jahre lang, bis die Zellkulturen mit dem Archaeon in ausreichend großen Mengen kultiviert waren, um damit in biochemischen Experimenten den Energiestoffwechsel der mikrobiologischen Gemeinschaft aus den Sedimentproben zu entschlüsseln. Bei regelmäßigen Messungen stellte Musat fest, dass der Mikroorganismus bei Zugabe von Ethan Schwefelwasserstoff produzierte. „Wir dachten damals, dass der Abbau von Ethan anlog des Abbaus von Butan oder Propan durch Bakterien erfolgen müsste, fanden dafür aber weder den Mechanismus noch mögliche Stoffwechselprodukte“, sagt Musat.

Die richtige Gemeinschaft macht‘s

Wie dem Archeon die Oxidation von Ethan zu Kohlendioxid gelingt, fanden die Forscher durch weitere Versuche heraus. Sie entdeckten, dass im Probenanteil der Bakteriengemeinschaft neben 65 Prozent des Candidatus Argoarchaeum ethanivoran auch zwei sulfatreduzierende Deltaproteo-Bakterien mit etwas mehr als 30 Prozent vertreten waren. Mithilfe von Ionenmikroskopen und der Nano-Sekundärionen-Massenspektrometrie (Nano-SIMS) bewiesen die Forscher, dass ein Archaeon für die Oxidation von Ethan zu Kohlendioxid zuständig ist, während die begleitenden Bakterien für die Sulfatreduktion in der mikrobiellen Gemeinschaft sorgen.

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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 nämlich, dass das Archaeon selbst keine bekannten Gene für die Sulfatreduktion hat. Das heißt, die bei der Ethanoxidation frei werdenden Elektronen müssen auf die sulfatreduzierenden Bakterien übertragen werden. Untersuchungen mit der NanoSIMS deuten nun darauf hin, 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“, beschreibt Musat seine Theorie.

Erkenntnisse könnten auch für Treibstoffproduktion relevant sein

Die Schlüsselreaktion des anaeroben Ethanabbaus wird durch eine funktionelle Methyl-Coenzym-M-ähnliche-Reduktase (MCR) katalysiert. Im Genom von Candidatus Argoarchaeum ethanivorans haben die Wissenschaftler alle Gene für eine solche Reduktase nachgewiesen. Mit einem hoch auflösenden 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. Es enthält mehr Energie pro Liter und lässt sich deutlich einfacher verflüssigen als beispielsweise Methan – ein Ansatz, den Musat und sein Team für künftige Forschung im Blick haben werden.

Originalpublikation: 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 (2019); DOI: 10.1038/s41586-019-1063-0

* S. Hufe, Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle, 04318 Leipzig

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