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Je gestresster, desto mehr Mann und Maus: Alle Lebewesen bilden Methan

Von Dr. Virginia Geisel*

Bekannt ist, dass das Treibhausgas Methan von speziellen Mikroorganismen produziert wird, z. B. im Magen von Kühen oder in Reisfeldern. Seit einigen Jahren beobachtete man auch seine Entstehung in Pflanzen und Pilzen, ohne eine Erklärung dafür zu finden. Nun haben Forscher aus Heidelberg und dem MPI für terrestrische Mikrobiologie den zu Grunde liegenden Mechanismus aufgeklärt. Ihre Ergebnisse legen nahe, dass alle Organismen Methan freisetzen – und zwar offenbar je gestresster, desto mehr.

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Neueste Forschungsergebnisse legen nahe, dass alle Organismen das Treibhausgas Methan freisetzen. (Symbolbild)
Neueste Forschungsergebnisse legen nahe, dass alle Organismen das Treibhausgas Methan freisetzen. (Symbolbild)
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Marburg – Methan ist ein starkes Treibhausgas, und die Erforschung seiner natürlichen und anthropogenen biogeochemischen Quellen und Senken ist von enormem Interesse. Lange dachte man, dass Methan nur durch bestimmte Mikroorganismen bei der Zersetzung organischer Substanz unter Ausschluss von Sauerstoff (anaerob) entsteht.

Wie nun eine gemeinsame Studie unter Leitung von Frank Keppler und Ilka Bischofs zeigen konnte, ist ein Enzym für die Methanbildung nicht unbedingt notwendig, denn der Prozess kann auch über einen rein chemischen Mechanismus ablaufen. „Diese durch reaktive Sauerstoffverbindungen ausgelöste Methanbildung findet höchstwahrscheinlich in allen Organismen statt“, erklärt Leonard Ernst, ein interdisziplinär ausgebildeter Nachwuchsforscher, der die Studie leitete. Die Forscher wiesen die durch reaktive Sauerstoffverbindungen getriebene Bildung von Methan in über 30 Modellorganismen nach, von Bakterien und Archaeen über Hefen, Pflanzenzellen bis hin zu menschlichen Zelllinien.

Alle Lebewesen bilden Methan in einem chemischen Prozess unter Beteiligung freier Radikale.
Alle Lebewesen bilden Methan in einem chemischen Prozess unter Beteiligung freier Radikale.
(Bild: © MPI f. terrestrische Mikrobiologie/ Ernst)

Es war eine Sensation, als Max-Planck-Forscher vor 16 Jahren erstmals entdeckten, dass Pflanzen in Gegenwart von Sauerstoff (aerob) Methan freisetzten. Die Ergebnisse wurden zunächst angezweifelt, da die Methanbildung mit dem damaligen Wissen über Pflanzen nicht zu erklären war. Als man feststellte, dass auch Pilze, Algen und Cyanobakterien (früher „Blaualgen“) unter aeroben Bedingungen Methan bildeten, vermutete man enzymatische Aktivitäten als Ursache. Jedoch wurde in keinem der Organismen ein entsprechendes Enzym entdeckt. „Diese Studie ist daher ein Meilenstein in unserem Verständnis der aeroben Methanbildung in der Umwelt“, sagt Frank Keppler, Geowissenschaftler an der Universität Heidelberg. „Der universelle Mechanismus erklärt auch die früheren Beobachtungen zur Freisetzung von Methan aus Pflanzen.“

Je aktiver die Zelle, desto mehr Methan

Anhand des Bakteriums Bacillus subtilis konnten die Forschenden zeigen, dass ein enger Zusammenhang zwischen der Stoffwechselaktivität und dem Ausmaß der Methanbildung besteht. Stoffwechselaktivität, insbesondere unter Sauerstoffeinfluss, führt in allen Zellen zur Bildung sogenannter reaktiver Sauerstoffverbindungen, zu denen auch Wasserstoffperoxid und Hydroxyl-Radikale gehören. In Zusammenspiel mit Eisen, einem essentiellen Element, findet deshalb in sämtlichen Organismen die sogenannte Fenton-Reaktion statt – eine Reaktion von reduziertem Eisen mit Wasserstoffperoxid.

ROS-getriebene Methanbildung in Zellen. Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) wie Wasserstoffperoxid (H2O2) entstehen im Zellstoffwechsel und verstärkt unter oxidativen Stressbedingungen. Zellen brauchen Eisen zum Überleben und reduzieren das in der Natur meist vorliegende Eisen(III) [Fe3+] zu Eisen(II) [Fe2+]. Das Zusammenspiel von ROS und Fe2+ führt zur Fenton-Reaktion und damit zur Bildung hochreaktiver vierwertiger Eisen (FeIV)-Verbindungen und Hydroxyl- (•OH)-Radikalen. Diese greifen methylierte Schwefel- oder Stickstoffverbindungen (z.B. Methionin) an, die von Zellen gebildet bzw. aus der Umgebung aufgenommen werden. Dabei wird durch oxidative Demethylierung ein Methylradikal (•CH3) gebildet, welches wiederum durch Abstraktion eines Wasserstoffatoms (z.B. von anderen Kohlenwasserstoffen) zu Methan (CH4) reagiert.
ROS-getriebene Methanbildung in Zellen. Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) wie Wasserstoffperoxid (H2O2) entstehen im Zellstoffwechsel und verstärkt unter oxidativen Stressbedingungen. Zellen brauchen Eisen zum Überleben und reduzieren das in der Natur meist vorliegende Eisen(III) [Fe3+] zu Eisen(II) [Fe2+]. Das Zusammenspiel von ROS und Fe2+ führt zur Fenton-Reaktion und damit zur Bildung hochreaktiver vierwertiger Eisen (FeIV)-Verbindungen und Hydroxyl- (•OH)-Radikalen. Diese greifen methylierte Schwefel- oder Stickstoffverbindungen (z.B. Methionin) an, die von Zellen gebildet bzw. aus der Umgebung aufgenommen werden. Dabei wird durch oxidative Demethylierung ein Methylradikal (•CH3) gebildet, welches wiederum durch Abstraktion eines Wasserstoffatoms (z.B. von anderen Kohlenwasserstoffen) zu Methan (CH4) reagiert.
(Bild: © Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie/Ernst)

Die Fenton-Reaktion führt zur Bildung von hochreaktiven vierwertigen Eisen-Verbindungen und Hydroxyl-Radikalen. Diese Moleküle treiben die Abspaltung eines Methylradikals von methylierten Schwefel- und Stickstoffverbindungen voran, z. B. aus der Aminosäure Methionin. Durch die anschließende Reaktion des Methylradikals mit einem Wasserstoffatom entsteht schließlich Methan. Die Reaktion kann unter normalen physiologischen Bedingungen im Reagenzglas ablaufen und wird durch Biomoleküle wie ATP und NADH, die mit Stoffwechselaktivität einhergehen, erheblich verstärkt.

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Auch oxidativer Stress kurbelt die Bildung von Methan an

Auch zusätzlicher oxidativer Stress, ausgelöst durch physikalische und chemische Faktoren, z.B. höhere Umgebungstemperaturen oder die Zugabe von Substanzen, die reaktive Sauerstoffverbindungen bilden, steigerte die Methanproduktion in den untersuchten Organismen. Andererseits konnte sie durch die Zugabe von Antioxidantien und das Abfangen freier Radikale reduziert werden – ein Zusammenspiel, das vermutlich die Methanbildung in Organismen steuert. Die Studie erklärt daher auch, warum die Methanfreisetzungen innerhalb eines Organismus um mehrere Größenordnungen variieren können und besonders von Stressfaktoren abhängen.

Die sich im Rahmen des Klimawandels ändernden Umwelt- und Temperaturbedingungen könnten möglicherweise das Stressniveau vieler Lebewesen und damit deren atmosphärischen Methanemissionen beeinflussen. Umgekehrt könnten Schwankungen im Methangehalt der Atemluft auf alters- oder stressbedingte Veränderungen des zellulären Stoffwechsels hinweisen.

Originalpublikation: Ernst, L.; Steinfeld, B.; Barayeu, U.; Klintzsch,T.; Kurth, M.; Grimm, D.; Dick, T. P.; Rebelein, J.; Bischofs, I.B.; Keppler, F.:Methane formation driven by reactive oxygen species across all living organisms. Nature (9 March 2022)

* Dr. V. Geisel: Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, 35043 Marburg

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