Svovlfjernende bakterier kan være nøglen til at lave fælles komponent i plastik

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory og Ohio State University opdagede en ny mikrobiel vej, der producerer ethylen, at give en potentiel mulighed for biofremstilling af en fælles komponent af plast, klæbemidler, kølemidler og andre hverdagsprodukter.

Opdagelsen, udgivet i Videnskab , kaster lys over et mangeårigt mysterium om, hvordan ethylen produceres i anaerob, eller iltmangel, jord og peger på potentielle stier for at forhindre afgrødeskader fra høje niveauer af ethylen. Undersøgelsen skitserer også en hidtil ukendt måde, hvorpå bakterier genererer metan, en kraftig drivhusgas.

Forskerholdet fandt ud af, at ethylen og metan er biprodukter af en bakteriel proces, der fremstiller methionin, en aminosyre, der er nødvendig for at opbygge proteiner. Når deres miljø er anaerobt og lavt svovlindhold, bakterier tvinges til at fjerne svovl fra cellulære affaldsprodukter, udløser denne nye vej.

"I omkring et årti, forskere har studeret den biologiske produktion af ethylen gennem en anden mekanisme, der forekommer i iltede miljøer, " sagde Ohio State forsker Justin North. "Der er en teknisk hindring for at opskalere denne proces, da ethylen og oxygen blandet i industriel skala kan være eksplosivt. Denne nye anaerobe vej rydder den forhindring, men der er stadig arbejde at gøre med at skalere det op."

Forskningen begyndte i Ohio State, hvor Robert Tabita leder en igangværende undersøgelse af kulstoffiksering og nitrogen- og svovlmetabolisme i fotosyntetiske bakterier. Som en del af Tabitas team, North besluttede at måle de gasser, der forbruges og udsendes af Rhodospirillum rubrum og andre mikrober i samme familie, da de blev sultet efter svovl. Han var overrasket over at opdage ethylen.

"Vi ved, at disse bakterier producerer brint og forbruger kuldioxid, " sagde Nord. "Men, se og se, de lavede rigelige mængder ethylengas. Og vi tænkte, godt, det er mærkeligt."

North og hans Ohio State-kolleger studerede denne nye metaboliske proces ved hjælp af radioaktive forbindelser til at spore forstadierne og produktionen af ​​methionin og ethylen i mikrober. Men en anden type analytisk bioteknologi var nødvendig for at skabe den kritiske forbindelse mellem vejen og de proteiner, der kaldes enzymer, der driver den.

Tabita rakte ud til Bob Hettich, der leder den biologiske massespektrometrigruppe på ORNL, til en sammenlignende analyse af samlingen af ​​proteiner, kaldet proteomer, til stede i disse fotosyntetiske bakterier under to forskellige scenarier:lavt svovlindhold, ethylenproducerende forhold og højt svovlindhold, ikke-ethylen-producerende forhold. Hettichs gruppe har udviklet en banebrydende tilgang til at karakterisere proteomerne i mikrobielle systemer ved hjælp af massespektrometri, en teknik, der nøjagtigt måler masser og fragmenteringsveje for forskellige molekyler og giver detaljer om struktur og sammensætning. Hettich og Weili Xiong, en ORNL postdoc forsker, identificerede tusindvis af proteiner fra systemer med lavt og højt svovlindhold og analyserede deres sammenlignelige mængder for at udpege en håndfuld proteiner til yderligere karakterisering.

"Vi fandt slående forskelle, " sagde Hettich. Dataene viste en familie af nitrogenase-lignende proteiner, der var næsten 50 gange mere rigelige i lavsvovlen, ethylenproducerende prøver. Nogle jern- og svovlrelaterede proteiner steg også i overflod, når svovl var knap, peger på en mulig ny vej for svovlmetabolisme.

Disse data var overraskende, da nitrogenase-lignende proteiner er grupperet i genannotationer med nitrogenaser, der har lignende DNA-sekvenser og vides at omdanne atmosfærisk nitrogen til ammoniak. Denne nitrogenfikseringsproces er afgørende for livet på jorden og er blevet undersøgt indgående. I betragtning af deres navn, disse nitrogenase-lignende proteiner er ikke dem, forskerne ville have gættet spiller en rolle i svovlmetabolismen.

"Nogle gange kan navngivningen eller annoteringen af ​​et gen eller en genfamilie være vildledende, " sagde Hettich. "Navnet antyder en primær funktion. Faktisk, genet kan have en sekundær funktion, et natjob så at sige, eller det kan faktisk være at gøre noget helt andet."

"Men dataene er dataene, " fortsatte han. "Hvis du kører målingerne korrekt og på en agnostisk måde, hvor du ikke kender svaret a priori , så vil dataene afsløre de rigtige forbindelser."

Med disse afgørende proteomdata, Ohio State forskere og kolleger ved Colorado State University og Pacific Northwest National Laboratory kørte en række eksperimenter, der manipulerede bakteriegenomet for at inkludere eller fjerne genklyngen Rru_A0793-Rru_A0796. Genfjernelsen og -erstatningen slukkede og tændte for ethylenproduktionen som en switch, bekræfter, at generne og det resulterende enzym, de koder for, er afgørende for denne metaboliske vej.

De nitrogenase-lignende enzymer spalter carbon-svovlbindinger for at reducere 2-(methylthio)ethanol til en forløber til fremstilling af methionin. Denne vej producerer ethylen som et biprodukt. Forskerholdet fandt ud af, at hvis svovlkilden ændres til dimethylsulfid, den mest udbredte flygtige organiske svovlforbindelse, bakterier bruger det i deres methioninvej og producerer metan som et biprodukt.

Ud over et potentielt biologisk middel til at fremstille ethylen til brug i plast og andre industriprodukter, disse resultater kunne informere behandlinger af afgrøder i vandlidende, anaerob jord for at forhindre skader fra en overflod af ethylen. I de rigtige mængder, ethylen er et vigtigt plantehormon, der hjælper planter med at vokse, udvikle blade og rødder og modne frugter. Denne undersøgelse skaber en række nye videnskabelige spørgsmål, herunder om denne vej er involveret i interaktioner mellem planter og mikrober.

"Det er meget spændende, at denne opdagelse fører ind i nye undersøgelseslinjer, som faktisk også kan have en væsentlig fordel for landbruget og andre afgrøder, " sagde Nord.