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Rätsel um mikrobiellen Butanabbau So nutzen Mikroorganismen Butan zur Energiegewinnung

| Autor / Redakteur: Susanne Hufe* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Wie können Mikroorganismen in eigentlich lebensfeindlichen Umgebungen überleben? Ein Schlüssel liegt in einer alternativen Energiegewinnung. Forscher des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen und Kollegen am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) haben einen neuen Weg entdeckt, wie mikrobielle Gemeinschaften den chemisch trägen Kohlenwasserstoff Butan auch ohne Sauerstoff zur Energiegewinnung nutzen können.

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Dr. Florin Musat am ultrahochauflösenden Massenspektrometer im UFZ. Dieses Gerät ist wichtiger Bestandteil der Technologieplattform ProVIS, die Forschern weltweit die Möglichkeit zu mikroskopischen Einblicken in Zellen und ihre räumliche Anordnung bietet.
Dr. Florin Musat am ultrahochauflösenden Massenspektrometer im UFZ. Dieses Gerät ist wichtiger Bestandteil der Technologieplattform ProVIS, die Forschern weltweit die Möglichkeit zu mikroskopischen Einblicken in Zellen und ihre räumliche Anordnung bietet.
(Bild: UFZ / André Künzelmann)

Leipzig – Man braucht nur einen gasförmigen Kohlenwasserstoff, Sauerstoff und eine Zündquelle: Ob im Gasherd, im Feuerzeug, oder im Campingkocher – Erdgas ist dank seiner hohen Energiedichte ein begehrter Energieträger. Erdgas ist im Meeresboden häufig anzutreffen. In den oberen Schichten des Meeresbodens entsteht vorrangig Methan, dies als Produkt so genannter methanogener Archaeen.

Die wirtschaftlich interessanten Gasvorkommen befinden sich jedoch in viel tieferen Schichten des Meeresbodens. Dort wird organisches Material – also Reste abgestorbener Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen – unter hohen Temperaturen rein chemisch in gasförmige Kohlenwasserstoffe und Erdöl umgewandelt. Dieses Erdgas enthält auch einen großen Anteil kurzkettiger Kohlenwasserstoffe wie Propan und Butan, welche unter leichtem Druck schon flüssig werden. Wenn dieses Erdgas im Meeresboden in belebte Sedimentschichten aufsteigt, können es Mikroorganismen als Energiequelle nutzen. Direkt an der Oberfläche der Sedimente verbrauchen Bakterien es mit dem chemisch sehr aktiven Sauerstoff. Ist kein Sauerstoff mehr vorhanden, finden andere Mikroorganismen alternative Wege, um das Erdgas für sich zu nutzen.

Wie Mikroorganismen ohne Sauerstoff Erdgas als Energiequelle nutzen können

Unterschiedliche Mikroorganismen haben sich auf die Nutzung verschiedener Kohlenwasserstoffe spezialisiert. Die anaerobe Oxidation von Methan (AOM) ist seit einigen Jahren bekannt. Methan wird ohne Sauerstoff in Konsortien von Archaeen und Bakterien abgebaut. Die Methan oxidierenden (methanotrophen) Archaeen nutzen dabei dieselben Enzyme wie ihre Methan erzeugenden Verwandten, allerdings in umgekehrter Richtung. Das molekulare Stemmeisen, um Methan zu aktivieren, trägt den Namen Methyl-Coenzym-M-Reduktase (MCR), welches die ANME Archaeen in großen Mengen herstellen. In diesem Enzym wird das Methanmolekül mit der Schwefelverbindung Coenzym M verknüpft und in weiteren Reaktionen komplett zu Kohlendioxid oxidiert. Anstelle von Sauerstoff dient als Oxidationsmittel Sulfat, das in den Sulfat reduzierenden Partnerbakterien zu Schwefelwasserstoff umgewandelt wird. Als Abbauer kurzkettiger Kohlenwasserstoffe mit drei oder mehr Kohlenstoffatomen sind bisher nur Bakterien beschrieben worden, die ihr Substrat komplett oxidieren und selbständig an die Reduktion von Sulfat koppeln.

Der neue Abbauweg für Butan basiert auf den Prinzipien des Methanabbaus

Nun haben Forscher in Sedimenten von den heißen Quellen des Guaymas Beckens neue Konsortien aus Archaeen und Partnerbakterien entdeckt, die mit Butan als einziger Nahrungsquelle angereichert werden konnten und dabei Sulfid produzieren. In dem Genom der Archaeen fanden sie nicht die bekannten Gensequenzen des anaeroben Butanabbaus. „Stattdessen fanden wir verschiedene Gensequenzen, die entfernt mit den MCR-Genen der methanogenen und methanotrophen Archaeen verwandt sind. Konnten die in diesen Genen verschlüsselten Enzyme wirklich auch das Butan angreifen? Und welche weiteren Schritte wären danach für den kompletten Abbau von Butan notwendig?“ fragte sich Rafael Laso-Pérez, Doktorand am Max-Planck-Institut und Erstautor der jetzt veröffentlichten Studie.

Einen entscheidenden Beweis für diese ungewöhnliche chemische Aktivierung wurde über den Nachweis des chemischen Produkts geliefert: Sollte die Butan-Aktivierung ähnlich dem anaeroben Methanabbau verlaufen, dann müsste das Produkt Butyl-Coenzym M nachweisbar sein. Dies gelang UFZ-Mikrobiologe Dr. Florin Musat und seinen Kollegen mithilfe eines ultra-hochauflösenden Massenspektrometers am UFZ in Leipzig. „Methyl-Coenzym-M-Reduktasen wurden bisher als typische Vertreter Methan-spezifischer Enzyme bekannt. Mit dem Nachweis von Butyl-Coenzym M konnten wir klar zeigen, dass spezielle Methyl-Coenzym-M-Reduktasen nicht nur Methan, sondern auch größere Kohlenwasserstoffe aktivieren“, sagt Florin Musat.

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