Anaerobic oxidation of propane by thermophilic archaea from marine hydrothermal sediments
Diese Studie identifiziert *Candidatus* Syntrophoarchaeum caldarium als das erste Archaeon, das in Syntrophie mit einem sulfatreduzierenden Bakterium Propan anaerob oxidieren kann, und erläutert die spezifischen enzymatischen Mechanismen sowie die an diesem Prozess beteiligten Stoffwechselwege.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Tief unter dem Meeresboden, in den heißen, dunklen Sedimenten, wo heißes Wasser auf kaltes Gestein trifft, findet das Leben einen Weg, ohne Sauerstoff zu atmen. In diesen extremen Umgebungen sickert riesiges Mengen natürlicher Erdgas aus der Erdkruste nach oben. Dieses Gas besteht nicht nur aus Methan; es enthält signifikante Mengen an Propan, einem Molekül mit drei Kohlenstoffatomen, das ein Hauptbestandteil des Brennstoffs ist, den wir in unseren Häusern verwenden. Jahrzehntelang wussten Wissenschaftler, dass bestimmte Bakterien in der Lage sind, dieses Propan in Abwesenheit von Sauerstoff abzubauen, indem sie Sulfat aus dem Meerwasser nutzen, um den Prozess anzutreiben. Doch ein entscheidendes Puzzleteil fehlte. Während Forscher vor kurzem entdeckt hatten, dass bestimmte uralte einzellige Organismen, sogenannte Archaeen, andere kleine Gasmoleküle wie Ethan und Butan verzehren können, hatte noch nie jemand eine Archaee gefunden, die in der Lage ist, Propan zu konsumieren. Diese Lücke hinterließ einen blinden Fleck in unserem Verständnis darüber, wie Kohlenstoff durch die tiefe Erde zirkuliert und wie viel dieses potenten Treibhausgases auf natürlichem Wege entfernt wird, bevor es die Atmosphäre erreicht.
Ein Forschungsteam hat diese Lücke nun geschlossen und eine spezifische Art von hitzeliebenden Archaeen identifiziert, die von Propan gedeihen. Die Entdeckung begann mit einer Mikrobenkultur, die ursprünglich dazu gezüchtet worden war, Butan zu verzehren, und die aus dem Guaymas-Becken, einem hydrothermalen Feldfeld im Golf von Kalifornien, entnommen wurde. Als die Wissenschaftler die Nahrungsquelle von Butan auf Propan umstellten, verschob sich die Mikrobengemeinschaft dramatisch. Der dominante Organismus, ein Bakterium, das zuvor Butan gefressen hatte, verschwand. An seiner Stelle übernahm eine andere, weniger häufige Archaee das Kommando, die in engen, mikroskopischen Clustern mit einem Partnerbakterium wuchs. Diese neue Kultur, die die Forscher „Propane50“ nannten, bewies, dass diese spezifische Archaee nicht nur auf Propan überleben, sondern es auch als ihre einzige Energie- und Kohlenstoffquelle nutzen kann, wobei sie eine chemische Reaktion antreibt, die Sulfat in Sulfid umwandelt.
Der Organismus, der im Zentrum dieses Prozesses steht, ist eine Kandidatenart namens Candidatus Syntrophoarchaeum caldarium. Er arbeitet nicht allein. Er bildet eine symbiotische Partnerschaft mit einem sulfatreduzierenden Bakterium namens Candidatus Desulfofervidus auxilii. In dieser Anordnung baut die Archaee das Propan ab, kann jedoch die überschüssigen Elektronen, die bei diesem Abbau entstehen, nicht entsorgen. Sie leitet diese Elektronen direkt an ihr bakterielles Gegenüber weiter, welches sie nutzt, um Sulfat in Sulfid zu reduzieren. Dieser Austausch ist so effizient, dass beide Organismen zusammen in dichten, sichtbaren Aggregaten wachsen. Die Forscher bestätigten, dass die Archaee die schwere Arbeit des Propanabbaus leistet, während das Bakterium als notwendige Elektronen senke fungiert, die die Reaktion am Laufen hält.
Um genau zu verstehen, wie dieser winzige Organismus Propan frisst, untersuchten die Wissenschaftler das Innere der Zellen. Sie fanden heraus, dass die Archaee das Propanmolekül aktiviert, indem sie ein spezifisches Helfermolekül daran bindet, wodurch eine Verbindung namens Propyl-Coenzym M entsteht. Dieser Schritt ist der entscheidende erste Schritt, der das Propan für den weiteren Abbau angreifbar macht. Die Forscher identifizierten einen spezifischen Enzymkomplex, den sie ACR1 nannten, der diese Bindung vornimmt. Interessanterweise enthält das Genom der Archaee die Anweisungen für vier verschiedene Versionen dieses Enzyms, aber nur eines, ACR1, wird in großen Mengen produziert, wenn die Archaee Propan frisst. Dies deutet darauf hin, dass ACR1 das spezialisierte Werkzeug für diese Aufgabe ist, das in der Lage ist, das dreiatomige Propanmolekül mit hoher Effizienz zu handhaben.
Sob falls das Propan aktiviert ist, wandelt die Archaee es in eine Form um, die vollständig zu Kohlendioxid „verbrannt“ werden kann. Der Pfad beinhaltet die Umwandlung des Propan-Derivats in ein Molekül namens Propionyl-CoA und anschließend die Umgestaltung in Acetyl-CoA, einen zentralen Brennstoff für viele Lebensformen. Schließlich nutzt der Organismus eine bekannte Stoffwechselroute, den reversen Wood-Ljungdahl-Weg, um diesen Brennstoff vollständig zu oxidieren, wobei Energie und Kohlendioxid freigesetzt werden. Der gesamte Prozess ist ein ausgeklügelter, mehrstufiger Fließbandprozess, der es dem Leben ermöglicht, unter Bedingungen zu gedeihen, die für die meisten anderen Organismen toxisch wären.
Diese Entdeckung verändert unsere Sicht auf den unterirdischen Kohlenstoffkreislauf. Sie beweist, dass Archaeen nicht nur darauf beschränkt sind, Methan oder geradzahlige Alkane wie Ethan und Butan zu fressen; sie können auch ungeradzahlige Moleküle wie Propan angehen. Dieser Fund legt nahe, dass diese mikroskopischen Organismen eine viel größere Rolle beim „Aufräumen“ von natürlichen Gasaustritten spielen als bisher angenommen. Da die Art und Weise, wie diese Archaeen Propan abbauen, einen anderen chemischen Fingerabdruck hinterlässt als der Abbau durch Bakterien, können Wissenschaftler dieses Wissen nun nutzen, um die Zusammensetzung der Gase in tiefen Reservoirs besser zu interpretieren. Die Arbeit enthüllt eine verborgene Ebene biologischer Aktivität in der tiefen Erde und zeigt, dass das Leben selbst in den heißesten, sauerstofffreien Sedimenten spezialisierte Werkzeuge entwickelt hat, um genau jene Gase zu konsumieren, die unsere moderne Welt antreiben.
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