Schlüsselenzym für Methanproduktion identifiziert
Publikation in „PNAS" unter Beteiligung der TU Darmstadt
05.10.2021
Forschende der TU Darmstadt, der Universität Freiburg und der Universität Bern haben ein neues Schlüsselenzym gefunden, das bei der Methanproduktion aus Biomasse durch mikrobielle Gemeinschaften entscheidend mitwirkt.
Die mikrobielle Produktion von Methan aus organischem Material ist ein wesentlicher Prozess im globalen Kohlenstoffkreislauf. Während dieser Vorgang im Kuhpansen zum unerwünschten Treibhausgas Methan führt, liefert der gleiche Prozess in Biogasanlagen (Methan-)Gas für die Strom- und Wärmeerzeugung und stellt somit eine wichtige Quelle für erneuerbare Energie dar.
Der natürliche Vorgang der Methanproduktion beruht dabei auf einer kooperativen Interaktion zwischen unterschiedlichen Mikroorganismen-Typen: den gärenden Bakterien und einzelligen Mikroorganismen, die Methan bilden (Archaeen). Gärende Bakterien produzieren aus der Biomasse zunächst kurzkettige Fettsäuren, die wiederum zu Wasserstoff, Kohlendioxid und Ameisensäure beziehungsweise Formiat abgebaut werden. Aus diesen Zwischenprodukten können dann spezialisierte Archaeen Methan bilden. Diese Interaktion fermentierender Bakterien mit methanbildenden Archaeen ist entscheidend für die weltweit relevante Bildung von Methan aus Biomasse.
Es ist sehr spannend zu sehen, wie unsere Grundlagenforschung zur Synthese von Methylmenachinon nun einen Beitrag geleistet hat zum tieferen Verständnis der Energieumwandlung während der Methanproduktion aus Biomasse.
„Tieferes Verständnis der Energieumwandlung"
Der genaue Weg der Umwandlung der Fettsäuren zu Methan konnte bisher nicht geklärt werden. Die Forscherinnen und Forscher haben nun einen entscheidenden Schritt in dem Prozess aufgedeckt: Sie fanden das fehlende enzymatische Glied und dessen Funktion, wodurch die Methanbildung aus Fettsäuren energetisch erst nachvollziehbar wird.
Bei dem Enzym handelt es sich eine neuartige bakterielle Oxidoreduktase, genannt EMO, aus der Membran des gärenden Bakteriums Syntrophus aciditrophicus. Dieses Enzym spielt eine Schlüsselrolle in einer Elektrontransportkette, die die Fettsäure-Oxidation mit der Formiat-Produktion aus Kohlendioxid verbindet und dabei Energie konserviert. EMO verwendet dazu den ungewöhnlichen Elektronenüberträger Methylmenachinon (MMK), um Elektronen auf das Formiat-bildende Enzym zu übertragen.
Die Forschungsergebnisse, die in der Zeitschrift Proceedings of theNational Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) publiziert wurden, sind eine Zusammenarbeit zwischen Dennis Wilkens und Professor Jörg Simon vom Fachgebiet Mikrobielle Energieumwandlung und Biotechnologie des Fachbereichs Biologie der TU Darmstadt und der Arbeitsgruppe von Matthias Boll (Universität Freiburg). Der Biosyntheseweg von MMK war bereits zuvor in der Arbeitsgruppe von Jörg Simon aufgeklärt worden, und das für die MMK-Biosynthese verantwortliche Enzym aus S. aciditrophicus wurde nun ebenfalls charakterisiert. „Es ist sehr spannend zu sehen, wie unsere Grundlagenforschung zur Synthese von Methylmenachinon nun einen Beitrag geleistet hat zum tieferen Verständnis der Energieumwandlung während der Methanproduktion aus Biomasse“, erklärt Professor Simon.
Die Publikation:
Agne, M., Estelmann, S., Seelmann, C. S., Kung, J., Wilkens, D., Koch, H.-G., van der Does, C., Albers, S., von Ballmoos, C., Simon, J., Boll, M. (2021): "The missing enzymatic link in syntrophic methane formation from fatty acids” In: Proceedings of the National Academy of Sciences.
Universität Freiburg/Simon/cst
