Wie uralte Mikroben wichtige Metalle aus ihrer Umgebung extrahieren

Eine neue Veröffentlichung eines Wissenschaftlers der Montana State University vertieft das bestehende Wissen über eine alte Lebensform und wie sie heute einzigartige ökologische Prozesse fortsetzt. Das Papiermit dem Titel „Methanogene erwerben und bioakkumulieren Nickel während der reduktiven Auflösung von Nickelpyrit“ wurde am 13. Oktober in veröffentlicht Angewandte und Umweltmikrobiologie.

Die Autoren der Veröffentlichung sind Professor Eric Boyd, die ehemalige Postdoktorandin Rachel Spietz und der derzeitige Postdoktorand Devon Payne. Boyds Labor ist in der Abteilung für Mikrobiologie und Zellbiologie am College of Agriculture der MSU untergebracht.

Ein Schlüsselelement von Boyds Forschung war die Erforschung von Mikroorganismen, sogenannten Methanogenen, bei denen es sich um uralte Lebensformen handelt, die auch heute noch existieren. Methanogene sind einzigartig, weil sie im Gegensatz zu den meisten Organismen kein Sonnenlicht nutzen, um ihren Stoffwechsel anzutreiben, und weil sie durch Sauerstoff vergiftet werden. Stattdessen nutzt ihr Stoffwechsel Chemikalien aus ihrer Umgebung und zersetzt dabei häufig Gesteine ​​und Mineralien. Dabei produzieren die Zellen Methan, auch Erdgas genannt.

Die genaue Bestimmung, wie Methanogene dies tun, könnte Fragen beantworten, die mehr als 3 Milliarden Jahre zurückreichen, sagte Boyd.

„Auf der frühen Erde gab es keinen Sauerstoff, und die damalige Atmosphäre enthielt viel mehr Methan und Wasserstoff“, sagte Boyd. „Das liegt vor allem an diesen Methanogenen, die Wasserstoff mit Kohlendioxid zu Methan reagieren lassen. Und plötzlich begann aus ungeklärten Gründen das Methan abzunehmen und der Sauerstoff zuzunehmen. Das war vor etwa 2,4 Milliarden Jahren. Also.“ , was ist passiert?“

Boyds neues Papier untersucht eine bestimmte Art von Methanogen, das Nickel aus seiner Umgebung isolieren und bioakkumulieren kann und dabei Mineralien als Nährstoffquelle zur Unterstützung des Wachstums nutzt. Diese Ergebnisse helfen bei der Unterscheidung zwischen zwei konkurrierenden Hypothesen über den Rückgang des atmosphärischen Methans vor Milliarden von Jahren, der wahrscheinlich durch einen Rückgang der methanogenen Population verursacht wurde.

Eine Hypothese, so Boyd, sei, dass veränderte Umweltbedingungen zu einer stärkeren Konkurrenz zwischen Methanogenen und anderen Organismen um Umweltressourcen führten, was zu einem Rückgang der Methanogenpopulation führte. Die andere Theorie besagt, dass Veränderungen in den vulkanischen Mustern auf der frühen Erde zu einem Rückgang des verfügbaren Nickels führten, was dazu führte, dass die Methanogene an diesem lebenswichtigen Element hungerten.

Die in der neuen Arbeit enthaltenen Forschungsergebnisse ergaben jedoch, dass nickelabhängige Methanogene viel weniger Nickel zum Überleben benötigen als bisher angenommen. Ihre Fähigkeit, Nickel in sich anzusammeln, ermöglicht das Überleben auch dann, wenn Nickel knapp ist.

Um diese Beobachtungen zu machen, züchtete Boyds Forschungsteam Methanogene in Umgebungen mit unterschiedlichen Mengen an Nickel und beobachtete, wie sie auf die unterschiedlichen Bedingungen reagierten. Indem sie maßen, wie viel Methan die Mikroben produzierten, konnten sie abschätzen, wie gut die Methanogene wuchsen und überlebten. Mithilfe verschiedener spektroskopischer Techniken konnte das Team ermitteln, wie viel Nickel die Zellen speicherten.

Boyd untersucht seit fast 20 Jahren Methanogene, eine Forschungsrichtung, für die er sich während seines Doktoratsstudiums an der MSU interessierte. Während eines Großteils dieser Zeit wurde seine Arbeit durch Mittel der NASA unterstützt.

„Als das Leben entstand, gab es keine Photosynthese. Es war ausschließlich mineralische Energie, die das Leben unterstützte“, sagte er. „Und plötzlich stießen wir auf diese Entdeckung, bei der es sich im Wesentlichen um Mikroben handelt, die Mineralien aufnehmen und sie auf eine Weise reduzieren, die eigentlich nicht möglich gewesen wäre. Meistens wird das Mineral oxidiert und erzeugt saures Minenabflusswasser, aber das hier Der Prozess macht das nicht.

Ein besseres Verständnis des „Biomining“-Prozesses könnte es Menschen ermöglichen, Bergbautechnologien zu entwickeln, die weniger Auswirkungen auf die Umwelt haben, sagte Boyd. Die Ergebnisse in der neuen Arbeit stellen einen weiteren wissenschaftlichen Schritt in Richtung dieser Möglichkeit dar.

„Es gibt drei Elemente dieses Papiers, die ich für wirklich besonders halte“, sagte Boyd. „Zum einen zeigen wir, dass die Zellen Nickel aus einem Mineral aufnehmen können, was bisher noch nicht gezeigt wurde. Zum anderen können sie es in extrem geringen Konzentrationen aufnehmen. Sie brauchen nicht viel, und das widerspricht der herkömmlichen Vorstellung.“ . Das dritte ist, dass sie es ansammeln, und das macht einfach Sinn. Wenn es etwas gibt, von dem Sie sehr abhängig sind, und diese Käfer sind so abhängig von Nickel, dass sie einen Weg gefunden haben, sicherzustellen, dass sie reichlich haben davon für die Zukunft.

Während die wissenschaftlichen Konzepte und der Forschungsprozess äußerst komplex seien, seien die größeren Implikationen der Arbeit laut Boyd recht einfach und hängen direkt mit den zeitlosen Fragen zusammen, wie die Erde zu einer bewohnbaren Umgebung für andere Lebensformen und letztlich auch für den Menschen wurde. Wie so oft bei der Erforschung des Ursprungs des Lebens werfen neue Fortschritte neue Fragen auf und führen zu weiterer Erforschung.

„Es ist entscheidend zu verstehen, was diesen Übergang weg von der Methanatmosphäre bewirkt hat“, sagte er. „Wenn es diesen Übergangszustand nicht gegeben hätte, wären Sie und ich nicht hier, um darüber zu sprechen, denn wir brauchen diesen Sauerstoff in der Atmosphäre. In gewisser Weise geht es darum, die Umweltvergangenheit zu verstehen und zu verstehen, wie sich diese verändert und die Entwicklung ermöglicht hat Das komplexe Leben ist von zentraler Bedeutung, nicht nur um zu verstehen, wie wir hierher gekommen sind, sondern auch, wohin wir gehen.“