Vidensgab lukket i vores forståelse af nedbrydning af ethan

Med en andel på op til ti pct. Ethan er den næstmest almindelige komponent i naturgas og er til stede i dybtliggende land- og havgasforekomster over hele verden. Indtil nu, det var uklart, hvordan ethan nedbrydes i fravær af ilt. Et team af forskere fra Helmholtz Center for Miljøforskning (UFZ) har løst dette mysterium, efter mere end femten års forskningsarbejde i samarbejde med kolleger fra Max Planck Institute for Marine Microbiology i Bremen. I en mikrobiel kultur opnået fra den Mexicanske Golfs sedimentprøver, forskerne har opdaget en arkæon, der oxiderer ethan. Den encellede organisme har fået navnet Candidatus Argoarchaeum ethanivorans, hvilket bogstaveligt betyder 'langsomt voksende ethan-spiser'. I en artikel, der nu er offentliggjort i tidsskriftet Natur , forskerne beskriver den metaboliske vej for nedbrydning af ethan.

Forskerne måtte udvise stor tålmodighed med at løse mysteriet om anaerob nedbrydning af mættede kulbrinter. I 2002 UFZ mikrobiolog Dr. Florin Musat, som på det tidspunkt forskede ved det Bremen-baserede Max Planck Institute for Marine Microbiology, modtaget en sedimentprøve, der stammer fra den Mexicanske Golf. Prøven var blevet indsamlet fra naturgasudsivninger på en vanddybde på mere end 500 meter. Det tog over ti års dyrkningsindsats at opnå tilstrækkelige mængder af kulturen, der indeholdt arkæonen – som grundlag for detaljerede eksperimenter med at afkode strukturen og metabolismen i det mikrobielle samfund. Under sine regelmæssige målinger, Florin Musat erkendte, at oxidation af ethan var koblet til reduktion af sulfat til hydrogensulfid. "I ret lang tid, vi troede, at den anaerobe nedbrydning af ethan blev udført af bakterier på samme måde som nedbrydningen af ​​butan eller propan, men vi var ikke i stand til at identificere metaboliske produkter, der er typiske for en bakteriel oxidationsmekanisme, " siger Musat.

For at afdække hemmelighederne bag ethanoxidation, Musat, som har arbejdet på UFZ siden 2014, udnyttede mulighederne i ProVIS teknologiplatformen. Center for Kemisk Mikroskopi (ProVIS) kombinerer et stort antal store enheder, muliggør effektiv, hurtige og følsomme kemiske analyser af biologiske prøver, strukturer og overflader på nanometerskala. For eksempel, Musats team brugte fluorescensmikroskopi til at vise, at Candidatus Argoarchaeum ethanivorans udgør den dominerende andel af kulturen på omkring 65 procent af det samlede celleantal, hvorimod to sulfatreducerende Deltaproteobakterier udgør omkring 30 procent. Metabolitterne og proteinerne var karakteriseret ved højopløselige massespektrometriteknikker, og den kemiske sammensætning og den rumlige organisation af individuelle mikroorganismer blev bestemt ved Helium-ion-mikroskopi og NanoSIMS. Ved at bruge disse metoder, forskerne viste, at arkæonen er ansvarlig for oxidationen af ​​ethan til kuldioxid, og de ledsagende bakterier til reduktion af sulfat til sulfid.

Desuden, de observerede, at Candidatus Argoarchaeum ethanivorans ikke danner aggregater med partnerbakterierne under oxidation af ethan, i modsætning til kulturer, der nedbryder metan, propan eller butan. "Arkæonen og de to typer bakterier vokser for det meste som frie celler. Intercellulære forbindelser med nanotråde, der ville formidle overførsel af elektroner, som vist med andre kulturer, mangler, " siger Musat. Af denne grund, Tilbage står et spændende spørgsmål:hvordan interagerer Argoarchaeum og bakterierne med hinanden? Metagenomanalyser afslørede, at arkæonen ikke besidder kendte gener til sulfatreduktion. Det betyder, at elektronerne fra ethanoxidation skal overføres til de sulfatreducerende bakterier. Undersøgelser udført af NanoSIMS antydede, at denne overførsel potentielt kunne ske gennem svovlforbindelser. "Arkæerne får energi fra oxidationen af ​​ethan i en åbenlyst kompleks syntrofi (fællesskab af krydsfødere) med deres sulfatreducerende partnere, " siger Musat.

I deres jagt på mekanismen for elektronoverførsel, Musats hold undersøgte kulturen ved hjælp af et helium-ion-mikroskop. Denne analyse førte til et uventet fund:Candidatus Argoarchaeum danner små cellulære vesikler, som forbliver fastgjort i usædvanlige små klynger, hvilket indikerer, at arkæerne deler sig ved knopskydning.

Endelig, i genomet af Candidatus Argoarchaeum ethanivorans, forskerne identificerede alle gener, der er nødvendige for et funktionelt methyl-coenzym M-reduktase-lignende enzym, som katalyserer det første trin i den anaerobe nedbrydning af ethan. Ved at bruge massespektrometri med ultrahøj opløsning, de var også i stand til at finde produktet af dette enzym, ethyl-coenzym M. Yderligere genom- og proteomanalyser identificerede generne og enzymerne for følgende reaktioner:dermed dechifrerer den komplette metaboliske vej.

Til dato, forskning i anaerob oxidation af ethan har primært været fundamental. Men at tage et skridt videre, forskernes resultater kunne også være nyttige til industrielle anvendelser. "Vi er nu opmærksomme på de mekanismer, der ligger til grund for nedbrydningen af ​​kortkædede carbonhydrider af 'alkyl'-CoM-reduktaser, og vi antager, at de omvendte reaktioner kan lade sig gøre. Hvis det påvises, dette betyder bioteknologier til fremstilling af kulbrinter ved hjælp af disse eller lignende mikroorganismer, " siger Musat. Dette kan markere begyndelsen på nye bioteknologiske applikationer til fremstilling af syntetiske brændstoffer, som den energirige butan, for eksempel. Butan indeholder mere energi pr. liter og kan meget lettere gøres flydende end metan – et koncept, som Florin Musat og hans team vil holde øje med til fremtidig forskning.