Ein Forscherteam der Montana State University hat den ersten experimentellen Beweis dafür erbracht, dass zwei neue Mikrobengruppen, die in Thermalquellen des Yellowstone-Nationalparks gedeihen, Methan produzieren – eine Entdeckung, die eines Tages zur Entwicklung von Methoden zur Abschwächung des Klimawandels beitragen und Einblicke in mögliches Leben anderswo in unserem Sonnensystem geben könnte.
Das Tagebuch Natur diese Woche wurden die Ergebnisse aus dem Labor von Roland Hatzenpichler veröffentlicht, außerordentlicher Professor im Fachbereich Chemie und Biochemie des College of Letters and Science der MSU und stellvertretender Direktor des Instituts für Thermobiologie der Universität.
In den beiden wissenschaftlichen Artikeln beschreiben die Forscher der MSU, wie sie die ersten bekannten Beispiele von Methan produzierenden Einzellern außerhalb der Linie Euryarchaeota verifiziert haben, die zum größeren Zweig des Lebensbaums namens Archaea gehört.
Die Methan produzierenden Einzeller heißen Methanogene. Während Menschen und andere Tiere Nahrung zu sich nehmen, Sauerstoff einatmen und Kohlendioxid ausatmen, um zu überleben, fressen Methanogene kleine Moleküle wie Kohlendioxid oder Methanol und atmen Methan aus. Die meisten Methanogene sind strikte Anaerobier, das heißt, sie können in Gegenwart von Sauerstoff nicht überleben.
Seit den 1930er Jahren ist den Wissenschaftlern bekannt, dass viele anaerobe Organismen der Archaeen Methanogene sind, und jahrzehntelang glaubte man, dass alle Methanogene einem einzigen Stamm angehören: den Euryarchaeota.
Doch vor etwa 10 Jahren entdeckte man in anderen Stämmen Mikroben mit Genen für die Methanogenese, darunter auch in einem Stamm namens Thermoproteota. Dieser Stamm umfasst zwei mikrobielle Gruppen namens Methanomethylicia und Methanodesulfokora.
„Alles, was wir über diese Organismen wussten, war ihre DNA“, sagte Hatzenpichler. „Niemand hatte je eine Zelle dieser angeblichen Methanogene gesehen; niemand wusste, ob sie ihre Methanogenese-Gene tatsächlich nutzten oder ob sie auf andere Weise wuchsen.“
Hatzenpichler und seine Forscher wollten testen, ob die Organismen Methanogenese betreiben. Ihre Arbeit basierte auf der Ergebnisse einer Studie letztes Jahr von einer seiner ehemaligen Doktorandinnen an der MSU, Mackenzie Lynes, veröffentlicht.
Die Proben wurden aus Sedimenten heißer Quellen im Yellowstone-Nationalpark entnommen, deren Temperaturen zwischen 61 und 72 Grad Celsius lagen.
In einer „mühevollen Arbeit“, wie Hatzenpichler es formulierte, züchteten der MSU-Doktorand Anthony Kohtz und die Postdoktorandin Viola Krukenberg die Yellowstone-Mikroben im Labor. Die Mikroben überlebten nicht nur, sondern gediehen – und sie produzierten Methan. Anschließend arbeitete das Team an der Charakterisierung der Biologie der neuen Mikroben, wobei auch der Wissenschaftler Zackary Jay und andere von der ETH Zürich mitwirkten.
Zur gleichen Zeit gelang es einer Forschungsgruppe unter der Leitung von Lei Cheng vom Biogas-Institut des chinesischen Ministeriums für Landwirtschaft und ländliche Angelegenheiten und Diana Sousa von der Universität Wageningen in den Niederlanden, ein weiteres dieser neuen Methanogene zu züchten. An diesem Projekt hatten die Forscher sechs Jahre lang gearbeitet.
„Bis zu unseren Studien wurden an diesen Mikroben außer der DNA-Sequenzierung keine experimentellen Arbeiten durchgeführt“, sagte Hatzenpichler.
Er sagte, Cheng und Sousa hätten angeboten, die Studien gemeinsam zur Veröffentlichung einzureichen, und Chengs Aufsatz Der Bericht über die Isolierung eines weiteren Mitglieds der Methanomethylicia wurde gemeinsam mit den beiden Hatzenpichler-Laborstudien veröffentlicht.
Während eine der neu identifizierten Gruppen von Methanogenen, Methanodesulfokorascheint auf heiße Quellen und hydrothermale Tiefseequellen beschränkt zu sein, Methanomethylierung seien weit verbreitet, sagte Hatzenpichler.
Sie kommen manchmal in Kläranlagen und im Verdauungstrakt von Wiederkäuern sowie in Meeresablagerungen, Böden und Feuchtgebieten vor. Laut Hatzenpichler ist das von Bedeutung, da Methanogene 70 % des weltweiten Methans produzieren, ein Gas, das 28-mal wirksamer als Kohlendioxid ist, wenn es darum geht, Wärme in der Atmosphäre zu speichern. nach Angaben der US-Umweltschutzbehörde.
„Der Methangehalt steigt viel schneller als der Kohlendioxidgehalt, und die Menschen pumpen mehr Methan in die Atmosphäre als jemals zuvor“, sagte er.
Hatzenpichler sagte, dass die Experimente zwar eine wichtige Frage beantworteten, aber auch viele weitere aufwarfen, die künftige Arbeiten anregen würden. So wissen Wissenschaftler beispielsweise noch nicht, ob Methanomethylicia, die in nicht-extremen Umgebungen leben, für ihr Wachstum auf Methanogenese angewiesen sind oder ob sie auf andere Weise wachsen.
„Meiner Meinung nach wachsen sie manchmal, indem sie Methan produzieren, und manchmal tun sie etwas ganz anderes, aber wir wissen nicht, wann sie wachsen, wie oder warum“, sagte Hatzenpichler. „Wir müssen jetzt herausfinden, wann sie zum Methankreislauf beitragen und wann nicht.“
Während die meisten Methanogene innerhalb der Euryarchaeota CO2 oder Acetat zur Methanproduktion nutzen, verwenden Methanomethylicia und Methanodesulfokora Verbindungen wie Methanol. Diese Eigenschaft könnte Wissenschaftlern dabei helfen, zu lernen, wie man die Bedingungen in den verschiedenen Umgebungen, in denen sie vorkommen, so verändert, dass weniger Methan in die Atmosphäre ausgestoßen wird, sagte Hatzenpichler.
Sein Labor wird im Herbst mit der Bozeman Agricultural Research and Teaching Farm der MSU zusammenarbeiten, die Proben für weitere Forschungen zu den in Rindern gefundenen Methanogenen bereitstellen wird. Darüber hinaus werden neue Doktoranden, die im Herbst in Hatzenpichlers Labor einsteigen, feststellen, ob die neu entdeckten Archaeen Methan in Abwasser, Böden und Feuchtgebieten produzieren.
Methanomethylicia haben auch eine faszinierende Zellarchitektur, sagte Hatzenpichler. Er arbeitete mit zwei Wissenschaftlern der ETH Zürich, Martin Pilhofer und dem Doktoranden Nickolai Petrosian, zusammen, um zu zeigen, dass der Mikroorganismus bisher unbekannte Zell-zu-Zell-Röhren bildet, die zwei oder drei Zellen miteinander verbinden.
„Wir haben keine Ahnung, warum sie diese Strukturen bilden. Solche Strukturen hat man bei Mikroben selten beobachtet. Vielleicht tauschen sie DNA aus, vielleicht tauschen sie Chemikalien aus. Wir wissen es noch nicht“, sagte Hatzenpichler.
Hatzenpichler diskutierte die Ergebnisse der beiden Studien in einem Online-Vorlesung und auf einer kürzlichen Mikrobielle Angelegenheiten Podcast und produzierte diesen Infografik zum Methankreislauf.
Mehr Informationen:
Anthony J. Kohtz et al, Kultivierung und Visualisierung eines Methanogens des Stammes Thermoproteota, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07631-6
Viola Krukenberg et al, Methylreduzierende Methanogenese durch eine thermophile Kultur von Korarchaeia, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07829-8
Kejia Wu et al, Isolierung eines methylreduzierenden Methanogens außerhalb der Euryarchaeota, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07728-y