Methanbildende Mikrobe wächst in Gegenwart von giftigem Sulfit

Wich­tig für den welt­wei­ten Koh­len­stoff­kreis­lauf

Me­tha­no­ge­ne sind Mi­kro­or­ga­nis­men, die Me­than pro­du­zie­ren, wenn in ih­rer Um­ge­bung we­nig oder kein Sau­er­stoff vor­han­den ist. Ihre Me­than­pro­duk­ti­on – zum Bei­spiel im Ver­dau­ungs­trakt von Wie­der­käu­ern – ist wich­tig für den welt­wei­ten Koh­len­stoff­kreis­lauf, da Me­than ist ein sehr star­kes Treib­haus­gas ist, aber auch als En­er­gie­quel­le zum Hei­zen un­se­rer Häu­ser ge­nutzt wer­den kann.

Wachs­tum auf gif­ti­ger Ba­sis

Im Zen­trum der jetzt in Na­tu­re Che­mi­cal Bio­lo­gy ver­öf­fent­lich­ten Stu­die ste­hen zwei im Meer le­ben­de, wär­me­lie­ben­de Me­tha­no­ge­ne: Methanothermococcus thermolithotrophicus (lebt in geo­ther­misch er­hitz­ten Se­di­men­ten bei etwa 65 °C) und Methanocaldococcus jannaschii (lebt an Tief­see­vul­ka­nen bei etwa 85 °C). Sie ge­win­nen ihre Zell­ener­gie, in­dem sie Me­than pro­du­zie­ren, und be­zie­hen Schwe­fel für ihr Wachs­tum in Form von Sul­fid aus ih­rer Um­ge­bung. Für die meis­ten Or­ga­nis­men ist Sul­fid gif­tig. Für Me­tha­no­ge­ne je­doch ist es le­bens­not­wen­dig und sie ver­tra­gen auch hohe Kon­zen­tra­tio­nen da­von. Aber sie ha­ben ei­nen an­de­ren Schwach­punkt: Ihre Achil­les­fer­se ist die gif­ti­ge und re­ak­ti­ons­freu­di­ge Schwe­fel­ver­bin­dung Sul­fit, die das En­zym zer­stört, das für die Me­than­bil­dung not­wen­dig ist. Bei­de un­ter­such­ten Or­ga­nis­men tref­fen in ih­rem Le­bens­raum ge­le­gent­lich auf Sul­fit, zum Bei­spiel wenn Sau­er­stoff ein­dringt und mit dem re­du­zier­ten Sul­fid re­agiert. Des­sen teil­wei­se Oxi­da­ti­on führt zur Bil­dung von Sul­fit, vor dem sich die Me­tha­no­ge­nen schüt­zen müs­sen. Wie ma­chen sie das?

Ein mo­le­ku­la­rer Schnapp­schuss des Vor­gangs

Marion Jespersen und Tristan Wagner vom Max-Planck-In­sti­tut für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie in Bre­men in Zu­sam­men­ar­beit mit An­to­nio Pie­rik von der Uni­ver­si­tät Kai­sers­lau­tern lie­fern nun span­nen­de In­for­ma­tio­nen über das En­zym, das das Sul­fit ent­gif­tet. Die­ses En­zym, des­sen Form ein we­nig an ei­nen Schmet­ter­ling er­in­nert, ist be­kannt als F420-ab­hän­gi­ge Sul­fit­re­duk­ta­se oder Fsr. Es kann Sul­fit in Sul­fid um­wan­deln – eine si­che­re Quel­le für den Schwe­fel, den die Me­tha­no­ge­nen zum Wach­sen be­nö­ti­gen. In der nun vor­lie­gen­den Stu­die be­schrei­ben Jes­per­sen und ihre Kol­le­gin­nen und Kol­le­gen, wie das En­zym funk­tio­niert. „Das En­zym fängt das Sul­fit ab und re­du­ziert es di­rekt zu Sul­fid, das zum Bei­spiel in Ami­no­säu­ren ein­ge­baut wer­den kann“, er­klärt Jes­per­sen (sie­he Ab­bil­dung). „Da­durch wird die Mi­kro­be nicht ver­gif­tet und nutzt das ent­ste­hen­de Pro­dukt so­gar als Schwe­fel­quel­le. Sie ver­wan­deln Gift in Nah­rung!“

Das klingt ein­fach. Doch tat­säch­lich han­delt es sich um eine fas­zi­nie­ren­de und kom­pli­zier­te Ver­zah­nung, stell­ten Jes­per­sen und Wag­ner fest. „Es gibt zwei Ar­ten der Sul­fit­re­duk­ti­on: die dis­si­mi­la­to­ri­sche und die as­si­mi­la­to­ri­sche“, er­klärt Jes­per­sen. „Der un­ter­such­te Mi­kro­or­ga­nis­mus ver­wen­det ein En­zym, das wie ein dis­si­mi­la­to­ri­sches En­zym auf­ge­baut ist, aber ei­nen as­si­mi­la­to­ri­schen Me­cha­nis­mus ver­wen­det. Man könn­te sa­gen, er kom­bi­niert das Bes­te aus bei­den Wel­ten, zu­min­dest für sei­ne Le­bens­be­din­gun­gen.“

Man ver­mu­tet, dass bei­de En­zy­me, so­wohl die des dis­si­mi­la­to­ri­schen als auch die des as­si­mi­la­to­ri­schen We­ges, von ei­nem ge­mein­sa­men Vor­fah­ren ab­stam­men. „Sul­fit­re­duk­ta­sen sind ur­al­te En­zy­me, die gro­ßen Ein­fluss auf den glo­ba­len Schwe­fel- und Koh­len­stoff­kreis­lauf aus­üben“, er­gänzt Tris­tan Wag­ner, Lei­ter der Max-Planck-For­schungs­grup­pe Mi­kro­bi­el­le Me­ta­bo­lis­men am Max-Planck-In­sti­tut in Bre­men. „Un­ser En­zym, das Fsr, ist wahr­schein­lich ein Schnapp­schuss die­ses ur­al­ten En­zyms, ein span­nen­der Blick zu­rück in die Evo­lu­ti­on.“

Bio­tech­no­lo­gi­sche An­wen­dun­gen im Blick

Fsr lie­fert nicht nur Ein­bli­cke in die Evo­lu­ti­on, son­dern er­laubt es uns auch, die fas­zi­nie­ren­de Welt der Mee­res­mi­kro­ben bes­ser zu ver­ste­hen. Me­tha­no­ge­ne, die nur auf Sul­fit wach­sen kön­nen, ver­mei­den die Nut­zung des ge­fähr­li­chen Was­ser­stoffsul­fids als Schwe­fel­quel­le, wel­ches kor­ro­siv, ex­plo­siv und für den Men­schen hoch­gif­tig ist. „Dies er­öff­net Mög­lich­kei­ten für si­che­re­re bio­tech­no­lo­gi­sche An­wen­dun­gen zur Un­ter­su­chung die­ser wich­ti­gen Mi­kro­or­ga­nis­men. Noch bes­ser wäre es, ei­nen me­tha­no­ge­nen Mi­kro­or­ga­nis­mus zu fin­den, der Sul­fat re­du­ziert, denn die­ses ist bil­lig, reich­lich vor­han­den und eine völ­lig si­che­re Schwe­fel­quel­le“, sagt Wag­ner. Tat­säch­lich gibt es die­sen Or­ga­nis­mus be­reits, es ist Methanothermococcus thermolithotrophicus. Die For­schen­den ver­mu­ten, dass Fsr die letz­te Re­ak­ti­on auf die­sem Sul­fat­re­duk­ti­ons­weg or­ches­triert, da ei­nes sei­ner Zwi­schen­pro­duk­te Sul­fit ist. „Als nächs­tes wol­len wir nun ver­ste­hen, wie die­se Me­tha­no­ge­ne Sul­fat in Sul­fit um­wan­deln kann, um ein voll­stän­di­ges Bild von den Fä­hig­kei­ten die­ser Wun­der­mi­kro­ben zu er­hal­ten.“

->Quellen:

• mpi-bremen.de/Nahrung-aus-Gift-machen
• Originalpublikation:  Jespersen, Marion, Pierik, Antonio J. & Wagner, Tristan: Structures of the sulfite detoxifying F420-dependent enzyme from Methanococcales. in: Nature Chemical Biology (19.01.2023) – DOI: 10.1038/s41589-022-01232-y