Microbe öffnet die Tür zur kohlendioxidgesteuerten Fertigung

RIKEN-Wissenschaftler, die nach Hinweisen auf die Ursprünge des Lebens auf der Erde suchen, haben eine neue Mikrobe entdeckt, die Aufschluss darüber geben könnte, wie sich Organismen erstmals auf der Erde entwickelten, wie anderswo im Universum nach Leben gesucht wurde und wie mikrobielle Fabriken verbessert werden können.

Ihre ForschungIn den schroffen, tiefwassergespeisten Quellen Nordkaliforniens wurde ein Mikroorganismus entdeckt, der Kohlendioxid in andere Chemikalien umwandelt. Dieser Prozess erzeugt nicht nur Energie, sondern nutzt einen bisher unbekannten Stoffwechselweg, was auf neuartige Methoden der Kohlenstofffixierung schließen lässt, die möglicherweise die frühesten Formen des Energiestoffwechsels auf unserem Planeten nachahmen.

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

„Es ist wirklich ungewöhnlich“, sagt Shino Suzuki, der Hauptautor der Studie und Mikrobiologe, der das Labor für Geobiologie und Astrobiologie am RIKEN Cluster for Pioneering Research in Wako, Japan, leitet.

Die ungewöhnlichen Bedingungen, unter denen die Mikroorganismen leben, könnten ein Kandidat für die Art von Umgebung sein, in der das Leben auf der Erde entstand, sodass diese neue Art der Kohlenstofffixierung „einen der frühesten Energieumwandlungsprozesse des primitiven Lebens darstellen könnte“, sagt Suzuki. Es stellt sich heraus, dass es möglicherweise auch genutzt werden kann, um die mikrobielle Herstellung von Chemikalien und Biokraftstoffen anzukurbeln.

Hinweise auf den Ursprung des Lebens

Die Mikrobe, eine Art einzellige Lebensform, die als Archaeon bekannt ist, stammt aus einem jenseitigen Ökosystem namens The Cedars. Dieser geologische Schatz liegt etwa 150 Kilometer nördlich von San Franciscos berühmter Golden Gate Bridge und zeichnet sich durch bizarre Mineralformationen aus, die durch die Reaktion bestimmter unterirdischer Gesteine ​​mit Wasser entstehen.

Durch diesen Prozess entsteht Wasser, das reich an Kalzium, Wasserstoff und Methangas ist, dem aber andere typischerweise lebensnotwendige Inhaltsstoffe fehlen. Trotzdem gedeiht das Leben dort.

Vor etwa 15 Jahren begannen Suzuki und ihre Mitarbeiter, Mikroben in dieser lebensfeindlichen Umgebung zu charakterisieren, indem sie fortschrittliche genetische Sequenzierungstechniken verwendeten, um Bakterien und Archaeen in diesen unbekannten Bereichen zu identifizieren. Sie stießen auf eine Vielzahl exotischer Mikroben, jede mit unterschiedlichen genomischen Merkmalen und Stoffwechselfunktionen.

Einige ernährten sich von Wasserstoff, andere konsumierten gelöste Mineralien im alkalischen Wasser. Doch vielleicht war keiner bizarrer – und faszinierender – als Met12.

Met12 ist ein häufig vorkommendes Archäon, das im tiefen Grundwasser der Zedern lebt. Genetische Analysen ergaben, dass es eng mit einer Gruppe anaerober Mikroben verwandt ist, die für ihre Fähigkeit bekannt sind, Methan als Nebenprodukt ihres Stoffwechsels zu produzieren. Und doch fehlen Met12 die Gene, die zur Herstellung von Methan erforderlich sind.

Stattdessen nutzt die Mikrobe einen alternativen Stoffwechselweg, bei dem Kohlendioxid in ein organisches Molekül namens Acetat umgewandelt wird, ohne dass dabei Methan freigesetzt wird. Insbesondere wird es bei diesem Vorgang durch ein einzigartiges Gen namens MmcX unterstützt.

Wie Suzuki und ihr Team zeigten, trägt dieses Gen dazu bei, die Elektronenimportkapazität von Met12 zu steigern und so einen robusteren Energiestoffwechsel zu ermöglichen. Diese Anpassung ist entscheidend für das Gedeihen der Mikrobe in Gebieten wie den Zedern, die auf den ersten Blick für solches Leben völlig unwirtlich erscheinen.

Laut Suzuki zeigt die Entdeckung eine Lebensform, die sich auf unerwartete Weise an extreme Umgebungen anpasst, ein Befund, der widerspiegeln könnte, wie primitives oder sogar außerirdisches Leben unter den rauen Bedingungen entstand, von denen angenommen wird, dass sie auf der frühen Erde oder anderen Planeten existierten. „Dies könnte einige Einblicke in den Ursprung des Lebens geben“, sagt Suzuki.

Als Suzuki zusammen mit Mitarbeitern aus den USA, Dänemark und anderen Teilen Japans Met12 zum ersten Mal entdeckte, glaubten sie ihren eigenen Erkenntnissen nicht. „Ich habe an mir selbst gezweifelt“, sagt Suzuki. „Ich dachte, ich hätte einen Fehler gemacht.“

Da nur Gensequenzen verfügbar waren, mussten sie ein Verfahren anwenden, um das zirkularisierte Genom der Mikrobe zu rekonstruieren. Die Kultivierung von Met12 im Labor erwies sich als schwierig, sodass die Existenz des Met12 mit herkömmlichen mikrobiologischen Methoden nicht nachgewiesen werden konnte. In der synthetischen Biologie mussten die Forscher kreative Verifizierungsmethoden anwenden, um sich davon zu überzeugen, dass der Organismus real war.

Sie fügten das MmcX-Gen in ein stäbchenförmiges Bakterium ein, das gentechnisch so verändert wurde, dass es keine Elektronentransferaktivität aufweist. Diese Optimierung trug dazu bei, die Elektronenaufnahmefähigkeiten der Mikrobe so wiederherzustellen, dass sie sogar über das normale Maß hinausgingen. Durch weitere Experimente gelangten die Forscher zu dem Schluss, wie Met12 diese Elektronen nutzen kann, um den Energiestoffwechsel zu erleichtern, wobei Kohlendioxid die primäre Brennstoffquelle ist.

Energetische Aufregung

Die Entdeckung hat praktische Auswirkungen. Das Bakterium, in dem sie die Stoffwechselaktivität und Vielseitigkeit steigerten, wird häufig zur Herstellung von Biokraftstoffen verwendet. Mit MmcX hofft Suzuki, die Effizienz gentechnisch veränderter Mikroben zu verbessern, die auf Elektronentransfer angewiesen sind, um bei der Herstellung von Chemikalien und Biokraftstoffen zu helfen. Ihre Innovation führte zur Anmeldung eines Patents für diese molekulare Technologie.

Die Charakterisierung dieses Archäons könnte auch zur Kohlenstoffbindung beitragen, was eine Priorität für die Emissionsminderung ist, um das Tempo des Klimawandels zu verlangsamen.

Die Möglichkeiten für Innovationen enden nicht mit MmcX. Suzuki geht davon aus, dass weitere außergewöhnliche Entdeckungen aus der weiteren Erkundung der Zedern und der Untersuchung anderer einzigartiger Umgebungen mit unerschlossenen Reservoirs genetischer Vielfalt folgen werden.

Ihr Team sucht nun nach extremophilen Organismen an Orten wie den heißen Quellen von Hakuba Happo in den japanischen Alpen, einer stark alkalischen heißen Quelle, die ähnliche Bedingungen wie die Zedern bietet, und den Unterwasservulkanen des tiefsten Meeresgrabens der Welt, dem Marianengraben. liegt im westlichen Pazifik.

„Es gibt noch viel mehr interessante Gene, die noch nicht entdeckt wurden“, sagt sie.