Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Erbgut neuartiger Methanproduzenten entschlüsselt

21.07.2006
Max-Planck-Forscher enthüllen Überlebensstrategie jener Mikroorganismen, die weltweit für die Methan-Emission aus Reisfeldern verantwortlich sind

Etwa 10 bis 25 Prozent der weltweiten Methan-Emissionen kommt aus gefluteten Reisfeldern. Das Treibhausgas wird von verschiedenen Gruppen von Mikroorganismen (methanogener Archaea) produziert, für die Luftsauerstoff lebensfeindlich ist. Im Wurzelraum der Reispflanzen wurden erst kürzlich die so genannten Rice Cluster I (RC-I) Archaea als die Hauptproduzenten von Methan identifiziert. Die Mechanismen, die diesen Archaea einen Wettbewerbsvorteil verleihen, blieben jedoch ungeklärt, weil auch keine Reinkultur verfügbar war.


Mischkultur, aus der das vollständige Genom eines Methan produzierenden RC-I-Archaeons mittels molekularbiologischer Methoden rekonstruiert wurde. Die verschiedenen Mitglieder der Mischkultur wurden durch Hybridisierung mit spezifischen Sonden für RC-I-Archaea (rötlich fluoreszierende Zellen) und für Bakterien (grünlich fluoreszierende Zellen) nachgewiesen. Der Maßstab entspricht 10 Mikrometer. Bild: Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie

Wissenschaftler der Max-Planck-Institute für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und für molekulare Genetik in Berlin haben jetzt das vollständige Genom eines RC-I-Archaeons aus einer Methan produzierenden mikrobiellen Mischkultur rekonstruiert. Aus der Genomsequenz leiteten die Forscher mehrere enzymatische Mechanismen ab, welche bei methanogenen Archaea bisher unbekannt waren, und mit deren Hilfe es den RC-I-Archaea gelingt, in Gegenwart von Sauerstoff zu überleben. Bei diesen Mechanismen handelt es sich um eine spezifische Anpassung an den sauerstoffhaltigen Wurzelraum der Reispflanzen. Ihr Nachweis erklärt jetzt, warum RC-I-Archaea an diesem Standort einen selektiven Überlebensvorteil haben (Science, 21. Juli 2006).

Methan ist nach Kohlendioxid das Treibhausgas mit dem größten Einfluss auf das globale Klima. Seine Entstehung und Freisetzung erfolgt in geologischen und biologischen Vorgängen. Der bedeutendste biologische Prozess der Methanproduktion, die Methanogenese, ist gleichzeitig Energiestoffwechsel von Mikroorganismen, den so genannten methanogenen Archaea. Sie bilden Methan, indem sie entweder Acetat zu Methan und Kohlendioxid spalten oder Kohlendioxid mit Wasserstoff zu Methan reduzieren.

Eine wichtige Quelle für atmosphärisches Methan sind Reisfelder, wo es im Boden und im Wurzelraum der Reispflanzen gebildet wird. Emittiert wird das Methan über ein spezielles Gewebe der Reispflanze, das Aerenchym. Lange Zeit blieb unbekannt, welche Mikroorganismen nun tatsächlich für die Methanproduktion im Wurzelraum der Reispflanze verantwortlich sind. Marburger Max-Planck-Forscher konnten erst kürzlich zeigen, dass es sich dabei um methanogene Archaea des so genannten Rice Cluster I (RC-I) handelt. Sie scheinen für die weltweite Methan-Emission aus Reisfeldern hauptverantwortlich zu sein [1].

Im Gegensatz zu anderen gut charakterisierten Gruppen unter den methanogenen Archaea, wie den Methanosarcinales und Methanobacteriales, sind für RC-I-Archaea bisher keine isolierten Vertreter (als Reinkulturen) verfügbar. Daher war bisher über ihre physiologischen Fähigkeiten und ihre Anpassungsstrategien wenig bekannt. Ein Versuch zur Isolierung von RC-I-Archaeen aus Reisfeldboden führte zu einer mikrobiellen Mischkultur (MRE50), in welcher RC-I-Archaea immerhin einen Anteil von 50 bis 60 Prozent ausmachen. Die anderen Mitglieder dieser Mischkultur sind ausschließlich Mitglieder der Domäne Bacteria (s. Abb.).

In der aktuellen Studie haben nun die Max-Planck-Forscher aus Marburg und Berlin die vollständige Genomsequenz eines häufig in der Mischkultur MRE50 vertretenen RC-I-Archaeons aufgeklärt. In der Regel ist eine Reinkultur und damit ein homogener Bestand an Erbinformation der Ausgangspunkt für die Analyse eines vollständigen mikrobiellen Genoms. Da aber im Fall der RC-I-Archaea keine Reinkultur zur Verfügung stand, diente die gesamte Erbinformation der Mischkultur MRE50 als Ausgangspunkt für die Entschlüsselung des vollständigen RC-I-Genoms. Die heterogene, von verschiedenen Mikroorganismen stammende Erbinformation aus der Mischkultur bezeichnet man auch als Metagenom. Eine besondere analytische Herausforderung war es daher das vollständige, homogene Erbgut eines definierten RC-I-Archaeons aus diesem Metagenom herauszufiltern. Dies gelang den Forschern durch erhöhten Sequenzieraufwand und den Einsatz spezifischer Methoden der bioinformatischen Auswertung.

Danach besteht das Genom des RC-I-Archaeons aus 3,2 Millionen Basenpaaren und kodiert für 3.103 Proteine. Unter anderem konnten die Proteine dem methanogenen Stoffwechsel zugeordnet werden, bei dem Methan ausschließlich durch die Reduktion von Kohlendioxid mit Wasserstoff erzeugt wird. Enzyme für die Verwertung alternativer methanogener Nährstoffe werden vom RC-I-Genom nicht kodiert. Das RC-I-Archaeon ist daher als obligat Wasserstoff verwertend (hydrogenotroph) zu bezeichnen. Acetat kann aber als Kohlenstoff-Quelle zur Synthese von Zellkomponenten assimiliert werden.

Methanogene Archaea können Methan und damit einhergehend Lebensenergie nur unter strikter Abwesenheit von Sauerstoff produzieren. Die Gegenwart von Sauerstoff ist daher normalerweise extrem lebensfeindlich. Letzteres gilt jedoch nicht für RC-I-Archaea. Das RC-I-Genom kodiert für enzymatische Mechanismen, welche für methanogene Archaea bisher einzigartig sind und ihnen ein Überleben in sauerstoffhaltiger Umgebung ermöglichen. Zu diesen Mechanismen zählt ein umfassendes Besteck an Enzymen, welche hochreaktive Sauerstoffverbindungen, wie etwa das Superoxid-Anion oder Wasserstoffperoxid, schnell entgiften. Diese Verbindungen sind extrem toxisch für lebende Zellen. In Gegenwart von Luftsauerstoff scheinen RC-I-Archaea schnell auf einen Gärungsstoffwechsel umzuschalten, durch den aus Kohlenhydraten genügend Energie zur Lebenserhaltung gewonnen wird. Diese Fähigkeiten sind spezifische Anpassungen an das Leben im Wurzelraum der Reispflanze. Das Aerenchym der Reispflanzen erlaubt nicht nur die Emission von Methan, sondern auch die Diffusion von Luftsauerstoff in den Wurzelraum, so dass sich dort sauerstofffreie und sauerstoffhaltige Situationen schnell abwechseln können. Weitere spezifische Anpassungen des RC-I-Archaeons an diesen Lebensraum sind seine alternativen Fähigkeiten zur Assimilation von Stickstoff und die vermutliche Fähigkeit, Sulfat als Schwefelquelle nutzen zu können.

Die Fähigkeit der RC-I-Archaea die Gegenwart von Luftsauerstoff zu tolerieren, scheint dieser Organismengruppe nicht nur im Reisfeldboden einen Überlebensvorteil zu bieten. So wurden RC-I-Archaea durch kultivierungsunabhängige Untersuchungen vor allem in jenen Methan produzierenden Ökosystemen nachgewiesen, wo sich sauerstofffreie und sauerstoffhaltige Bedingungen abwechseln. Neben Reisfeldern sind dies tropische Böden, Moorgebiete der borealen Zone und auch periodisch geflutete Uferbereiche.

Das entschlüsselte RC-I-Genom bietet nun die Basis, um molekularbiologische Methoden für das Monitoring der Aktivität von RC-I-Archaeen in ihren natürlichen Standorten zu entwickeln. Inwieweit es langfristig möglich sein wird, die Methan-Produktion der RC-I-Archaea gezielt zu reduzieren und damit die Methan-Emission aus Reisfeldern und anderen Standorten zu reduzieren, kann jedoch zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht prognostiziert werden.

Das Projekt wurde durch die Max-Planck-Gesellschaft und das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt.

Originalveröffentlichung:

Christoph Erkel, Michael Kube, Richard Reinhardt, Werner Liesack
Genome of Rice Cluster I Archaea - the Key Methane Producers in the Rice Rhizosphere

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Zusammenarbeit von Fraunhofer und Universität in Würzburg bringt Medizinforschung voran
18.12.2017 | Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC

nachricht Alexa und Co in unserem Kopf: Wo die Stimmerkennung im Gehirn sitzt
18.12.2017 | Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Carmenes“ findet ersten Planeten

Deutsch-spanisches Forscherteam entwirft, baut und nutzt modernen Spektrografen

Seit Januar 2016 nutzt ein deutsch-spanisches Forscherteam mit Beteiligung der Universität Göttingen den modernen Spektrografen „Carmenes“ für die Suche nach...

Im Focus: Fehlerfrei ins Quantencomputer-Zeitalter

Heute verfügbare Ionenfallen-Technologien eignen sich als Basis für den Bau von großen Quantencomputern. Das zeigen Untersuchungen eines internationalen Forscherteams, deren Ergebnisse nun in der Fachzeitschrift Physical Review X veröffentlicht wurden. Die Wissenschaftler haben für Ionenfallen maßgeschneiderte Protokolle entwickelt, mit denen auftretende Fehler jederzeit entdeckt und korrigiert werden können.

Damit die heute existierenden Prototypen von Quantencomputern ihr volles Potenzial entfalten, müssen sie erstens viel größer werden, d.h. über deutlich mehr...

Im Focus: Error-free into the Quantum Computer Age

A study carried out by an international team of researchers and published in the journal Physical Review X shows that ion-trap technologies available today are suitable for building large-scale quantum computers. The scientists introduce trapped-ion quantum error correction protocols that detect and correct processing errors.

In order to reach their full potential, today’s quantum computer prototypes have to meet specific criteria: First, they have to be made bigger, which means...

Im Focus: Search for planets with Carmenes successful

German and Spanish researchers plan, build and use modern spectrograph

Since 2016, German and Spanish researchers, among them scientists from the University of Göttingen, have been hunting for exoplanets with the “Carmenes”...

Im Focus: Immunsystem - Blutplättchen können mehr als bislang bekannt

LMU-Mediziner zeigen eine wichtige Funktion von Blutplättchen auf: Sie bewegen sich aktiv und interagieren mit Erregern.

Die aktive Rolle von Blutplättchen bei der Immunabwehr wurde bislang unterschätzt: Sie übernehmen mehr Funktionen als bekannt war. Das zeigt eine Studie von...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Call for Contributions: Tagung „Lehren und Lernen mit digitalen Medien“

15.12.2017 | Veranstaltungen

Die Stadt der Zukunft nachhaltig(er) gestalten: inter 3 stellt Projekte auf Konferenz vor

15.12.2017 | Veranstaltungen

Mit allen Sinnen! - Sensoren im Automobil

14.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

„Carmenes“ findet ersten Planeten

18.12.2017 | Physik Astronomie

Fehlerfrei ins Quantencomputer-Zeitalter

18.12.2017 | Physik Astronomie

Konsortium erhält 2 Millionen Euro Förderung für neue MR-kompatible elektrophysiologis

18.12.2017 | Medizintechnik