Mikroben können ihren Bedarf an Nickel senken
Methanogene Archaeen haben einen erheblichen Einfluss auf das globale
Klima, da sie nahezu das gesamte natürlich vorkommende Methan produzieren.
Dieser Prozess basiert auf Enzymen, die die Metalle Eisen (Fe) und Nickel
(Ni) enthalten. Wie ein Team der Max-Planck-Institute für terrestrische
Mikrobiologie in Marburg und für Biophysik in Frankfurt am Main nun
herausfand, können die Mikroben ihren Stoffwechselweg ändern, wenn die
Nickelverfügbarkeit gering ist – eine Situation, die auf viele natürliche
Lebensräume zutrifft.
Die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte
Studie erweitert das Verständnis der mikrobiellen Ökologie und ihrer
Bedeutung für den Klimawandel.
Metalle spielen eine entscheidende Rolle in der mikrobiellen Biokatalyse,
indem sie als Cofaktoren für Enzyme fungieren. Metallionen wie Nickel und
Eisen befinden sich häufig an der aktiven Stelle der Enzyme, wo sie den
Elektronentransfer und somit die Umwandlung von Substraten ermöglichen.
Frühere Studien haben gezeigt, dass methanogene Archaeen, die von
Wasserstoff (H₂) leben, auf [NiFe]-Hydrogenasen angewiesen sind und daher
Eisen (Fe) und Nickel (Ni) benötigen. Im Rahmen der Methanbildung wandeln
diese Enzyme Wasserstoffgas in Methan um. Dabei nutzen sie einen wichtigen
Prozess der Elektronenübertragung, die flavinbasierte
Elektronenbifurkationsreaktion (FBEB). Diese Schlüsselreaktion, die den
Mikroben eine effiziente Energienutzung ermöglicht, wurde von den
Marburger Forschern Rolf Thauer und Wolfgang Buckel entdeckt.
Natürliche Lebensräume sind arm an Nickel
Allerdings wurde der Weg bei methanogenen Mikroorganismen identifiziert,
die aus natürlichen Umgebungen isoliert und in Labormedien kultiviert -
mit einer 100-mal höheren Nickelionenkonzentration als in der Natur. Dort
sind die Lebensräume in der Regel streng nährstofflimitiert. Tatsächlich
stellt man in Meeres- und Süßwasserumgebungen nur sehr geringe
Konzentrationen an bioverfügbaren Metallionen fest. Kann Methan auch unter
diesen Bedingungen entstehen, und wenn ja, wie? Um diese Frage zu klären,
untersuchte ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Seigo Shima am
Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie die Methanbildung
unter nährstoffarmen Bedingungen.
„Wir waren überrascht, dass die Konzentration der [NiFe]-Hydrogenasen in
diesen methanogenen Archaeen nahezu null betrug“, sagt Dr. Shunsuke
Nomura, Hauptautor der Studie. Stattdessen schien der Stoffwechselweg
vollständig durch ein nickelfreies Enzymsystem ersetzt worden zu sein. Dr.
Bonnie Murphy vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt
erläutert: „Die Kryo-EM-Untersuchung zeigte eine komplexe Enzymstruktur
ohne Nickel. Diese kann als Elektronenlieferant für die FBEB-Reaktion im
methanogenen Stoffwechselweg fungieren und die [NiFe]-Hydrogenasen
ersetzen.“
Eine vergleichende Genomanalyse deutet darauf hin, dass dieser neuartige
Methanstoffwechsel in der Natur weit verbreitet ist und Organismen dabei
helfen könnte, sich an ihre Umgebung anzupassen und ohne Nickel zu
überleben.
Es ist wichtig zu verstehen, wie mikrobielle Enzyme den Klimawandel
beeinflussen
„Nach gängigen Lehrbüchern sind nickelhaltige Hydrogenasen die einzigen
funktionierenden Hydrogenasen in methanogenen Mikroben. Unsere Ergebnisse
zeigen, dass dies nicht zutrifft. Das vollständige Verschwinden und der
Ersatz des nickelhaltigen Hydrogenase-Enzyms stellt also einen bedeutenden
Paradigmenwechsel dar. Es erweitert unser Verständnis des Methan-
Stoffwechsels in der Natur“, sagt Seigo Shima. Dies sei besonders
erstaunlich, da nickelhaltige und nicht-nickelhaltige Hydrogenasen nicht
miteinander verwandt sind. Sie weisen unterschiedliche Proteinstrukturen,
aktive Stellen, Reaktionsmechanismen und Hemmstoffempfindlichkeiten auf.
Die Studie unterstreicht die Bedeutung des Verständnisses physiologischer
Reaktionen von Mikroorganismen in verschiedenen Umgebungen, da ihre
Aktivität erheblich zu den Treibhausgaskonzentrationen beiträgt. Mit der
weiteren Erforschung dieses alternativen Stoffwechselwegs hoffen die
Forschenden, wirksamere Strategien zur Verringerung der Auswirkungen von
Methan auf das globale Klima zu entwickeln.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Seigo Shima
Forschungsgruppenleiter +49 6421 178-100 shima@...
Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, Marburg
Originalpublikation:
Nomura, S.; San Segundo-Acosta, P.; Protasov, E.; Kaneko, M.; Kahnt, J.;
Murphy, B.; Shima, S.
Electron flow in hydrogenotrophic methanogens under nickel limitation
Nature Vol 642, 8070
DOI: 10.1038/s41586-025-09229-y
