Metanproducerende mikroorganisme laver et måltid af jern

En ny forståelse af, hvordan en vigtig metanproducerende mikroorganisme skaber metan og kuldioxid, kan i sidste ende tillade forskere at manipulere, hvor meget af disse vigtige drivhusgasser, der slipper ud i atmosfæren. En ny undersøgelse af Penn State -forskere foreslår en opdateret biokemisk vej, der forklarer, hvordan mikroorganismen bruger jern til mere effektivt at fange energi, når man producerer metan. Undersøgelsen vises online i tidsskriftet Videnskab fremskridt .

"Mikroorganismen Methanosarcina acetivorans er et methanogen, der spiller en vigtig rolle i kulstofcyklussen, hvorved dødt plantemateriale genanvendes til kuldioxid, der derefter genererer nyt plantemateriale ved fotosyntese, "sagde James Ferry, Stanley Person Professor i biokemi og molekylærbiologi i Penn State, der ledede forskergruppen. "Metanogener producerer cirka 1 milliard tons metan årligt, som spiller en afgørende rolle i klimaforandringerne. At forstå den proces, hvormed denne mikroorganisme producerer metan, er vigtig for at forudsige fremtidige klimaændringer og for potentielt at manipulere, hvor meget af denne drivhusgas organismen frigiver. "

Methanosarcina acetivorans, som findes i miljøer som havbunden og rismarker, hvor det hjælper med at nedbryde dødt plantemateriale, omdanner eddikesyre til metan og kuldioxid. Forud for denne undersøgelse, imidlertid, forskere var ikke sikre på, hvordan mikroorganismen havde nok energi til at overleve i de iltfrie-anaerobe-miljøer, hvor den lever. Forskerne fastslog, at en oxideret form af jern kaldet "jern tre, "i det væsentlige rust, gør det muligt for mikroorganismen at arbejde mere effektivt, bruger mere eddikesyre, skabe mere metan, og skabe mere ATP - et kemikalie, der giver energi til biologiske reaktioner, der er afgørende for vækst.

"De fleste organismer som mennesker bruger en proces kaldet respiration til at skabe ATP, men dette kræver ilt, "sagde færgen." Når der ikke er ilt til stede, mange organismer bruger i stedet en mindre effektiv proces kaldet fermentering til at skabe ATP, ligesom de processer, gær anvender ved fremstilling af vin og øl. Men tilstedeværelsen af ​​jern giver M. acetivorans mulighed for at bruge åndedræt selv i mangel af ilt. "

Resultaterne gav forskerne mulighed for at opdatere den biologiske vej, hvormed M. acetivorans omdanner eddikesyre til metan, som nu inkluderer åndedræt. Stier som denne involverer mange mellemliggende trin, hvor energi ofte går tabt i form af varme. Forskerne fastslog også, at i nærvær af jern, energitab i denne mikroorganisme reduceres på grund af en nyligt opdaget proces kaldet elektronbifurkation.

"Elektronbifurkation tager et af de trin, der har potentiale for et enormt varmetab og høster den energi i form af ATP frem for varme, "sagde Ferry." Dette gør processen mere effektiv. "

Denne opdaterede vej kan give forskere mulighed for at forudsige mængden af ​​metan, som mikroorganismen vil frigive til atmosfæren.

"Rismarker - en vigtig kilde til metanen i atmosfæren - indeholder forfaldne risplanter, der er nedsænket i vand, og som i sidste ende behandles af M. acetivorans. Hvis vi måler mængden af ​​jern, der er til stede i feltene, vi kan forudsige, hvor meget metan der frigives af mikroorganismerne, som kan forbedre vores klimaændringsmodeller. "

I mangel af jern, mikroorganismen producerer nogenlunde lige store mængder methan og kuldioxid fra eddikesyre. Men med stigende mængder jern, det producerer mere kuldioxid i forhold til metan, så at forsyne organismen med yderligere jern kan ændre de relative mængder af disse drivhusgasser, der produceres.

"Metan er 30 gange mere potent som drivhusgas end kuldioxid, hvilket gør det mere problematisk med hensyn til vores opvarmningsplanet, "sagde Ferry." Nu hvor vi bedre forstår denne biokemiske vej, vi ser, at vi kan bruge jern til at ændre forholdet mellem de gasser, der produceres. I fremtiden, vi kan endda være i stand til at gå videre og hæmme produktionen af ​​metan af denne mikroorganisme.

"Ud over de praktiske anvendelser, dette er en vigtig tilføjelse til at forstå biologien i den stort set usynlige, men enormt vigtige anaerobe verden. "