Wie gehen Methanotrophe mit den toxischen Wirkungen von Schwefelwasserstoff um?

Methanotrophe – Organismen, die durch den Verzehr von Methan wachsen – scheinen perfekt geeignet zu sein, um die globale Erwärmung zu mildern, da Methan für etwa 30 % dieses Effekts verantwortlich ist. Bohrstellen, an denen das Erdgas hauptsächlich aus Methan besteht, enthalten jedoch auch Schwefelwasserstoff (H2S), der das Wachstum von Methanotrophen hemmt. In einer neuen Studie haben Forscher entdeckt, dass das methanotrophe Methylococcus capsulatus Bath ein Enzym enthält, das ihm hilft, in Gegenwart kleiner Mengen H2S zu wachsen.

„Schwefelwasserstoff ist ein großes Problem in der Öl- und Gasindustrie. Wenn wir biologische Lösungen zur Bekämpfung von Methanemissionen entwickeln wollen, müssen wir verstehen, wie Methanotrophe auf Schwefelwasserstoff reagieren“, sagte Christopher Rao (BSD/CABBI/GSE/MME). , Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik. „Diese Studie ist eine der ersten Untersuchungen darüber, wie Methanotrophe ihren Stoffwechsel als Reaktion auf H2S umprogrammieren.“

„Methanotrophe sind die wichtigsten Methansenken in der Natur, da sie Methan als Kohlenstoffquelle verwenden, im Gegensatz zu anderen Bakterien wie Escherichia coli, die Glukose verwenden“, sagte Sichong Pei, ein ehemaliger Doktorand in den Labors von Rao und Mackie (MME). und der Erstautor der Arbeit. „Durch die Untersuchung von Methanotrophen können wir sie verstehen und dann so konstruieren, dass sie ihren Methanverbrauch erhöhen und dazu beitragen, die Treibhauseffekte von Methan abzuschwächen.“

M. capsulatus Bath wird derzeit für kommerzielle Zwecke verwendet, wo sie mit reinem Methan gefüttert werden, um einzellige Proteine ​​herzustellen, die in Tierfutter verwendet werden. Obwohl die Bakterien zu diesem Zweck ausgiebig untersucht wurden, ist unklar, wie sich M. capsulatus Bath mit Erdgas verhält, das neben Methan auch Kohlendioxid, Stickstoff und H2S enthält.

„H2S ist so giftig und korrosiv, dass die petrochemische Industrie es aus Erdgas entfernen muss, in einem Schritt, der ‚Süßung‘ genannt wird“, sagte Pei. „Wir wissen jedoch, dass es Methanotrophe gibt, die in heißen Quellen leben, die hohe Methan- und H2S-Konzentrationen aufweisen. Diese Bakterien müssen eine natürliche Resistenz gegen Schwefelverbindungen haben, was bedeutet, dass die Verwendung dieser Bakterien den Süßungsprozess unterbindet und Geld spart. „

Obwohl andere Forscher die hemmenden Wirkungen von H2S auf M. capsulatus Bath untersucht haben, verwendeten sie nur physiologische Tests, bei denen sie die Wachstumsrate von Bakterien in Gegenwart des Gases maßen. In der aktuellen Studie untersuchte die Gruppe die Transkription – den Prozess, bei dem Zellen DNA verwenden, um Boten-RNA herzustellen – in der Zelle, um die Auswirkungen von H2S auf den Stoffwechsel dieser Bakterien weiter zu untersuchen.

Zuerst verwendeten die Forscher verschiedene Konzentrationen von H2S, um zu sehen, welche Konzentrationen hemmend waren. Obwohl M. capsulatus Bath mit 0,1 % H2S wachsen konnte, nahm die Wachstumsrate bei Konzentrationen von 0,5 % und 0,75 % ab, und sie wurden bei 1 % H2S vollständig gehemmt. „Wir haben versucht, den idealen Punkt zu finden, an dem die Bakterien H2S tolerieren können, ohne dass es zu stressig wird“, sagte Pei.

Die Forscher züchteten die Bakterien dann mit unterschiedlichen H2S-Konzentrationen, einschließlich 0 %, 0,1 %, 0,5 % und 0,75 %, und untersuchten die Veränderungen der RNA- und Kleinmolekülkonzentrationen. Sie fanden heraus, dass die Bakterien bei 0,75 % H2S von der Kalzium-abhängigen Methanol-Dehydrogenase mxaF auf die Lanthanoid-abhängige Methanol-Dehydrogenase xoxF umschalten.

„Diese Bakterien wachsen auf Methan, indem sie es zuerst in Methanol umwandeln, das dann mit Hilfe des Enzyms Methanoldehydrogenase in Formaldehyd umgewandelt wird“, sagte Pei. „Das Gen xoxF wurde vor einem Jahrzehnt identifiziert und verwendet das Element Lanthanid. Wir haben gesehen, dass die Transkription von xoxF im Vergleich zu mxaF um das Fünffache zugenommen hat.“

Lanthanide kommen in der Natur im Allgemeinen in sehr geringen Konzentrationen vor – normalerweise im mikromolaren Bereich. Die Frage ist also, warum Bakterien auf ein Enzym angewiesen sind, das Lanthanoide verwendet? „Vor drei Milliarden Jahren enthielt die Erdatmosphäre hauptsächlich Methan und H2S. Es ist wahrscheinlich, dass die alten Mikroorganismen Enzyme enthielten, die an diese harten Bedingungen gewöhnt waren. Eine Hypothese ist, dass die Bakterien das xoxF-Gen geerbt haben, das dieses relativ alte Enzym produziert. damit sie unter sulfidreichen Bedingungen funktionieren können.“

Obwohl diese Bakterien über xoxF verfügen, sind sie hauptsächlich auf mxaF angewiesen, da es effizienter ist. Die Forscher zeigten jedoch, dass diese Bakterien, wenn sie Sulfid ausgesetzt sind, auf die Verwendung von xoxF umstellen. „Früher war dieser Schalter nur zu sehen, wenn Forscher Lanthanoid hinzufügten“, sagte Pei. „Ich glaube, dass hinter dem Schalter ein faszinierender Mechanismus steckt, und das ist nur ein Teil des Puzzles.“

Die Studie wurde veröffentlicht in Angewandte Mikroben- und Zellphysiologie.