Anaerobic oxidation of propane by thermophilic archaea from marine hydrothermal sediments
Deze studie identificeert *Candidatus* Syntrophoarchaeum caldarium als de eerste archaeon die in staat is tot anaerobe oxidatie van propaan in syntrofie met een sulfaatreducerende bacterie, waarbij de specifieke enzymatische mechanismen en metabole paden die bij dit proces betrokken zijn, worden toegelicht.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Diep onder de oceaanbodem, in de gloeiende, donkere sedimenten waar heet water en koud gesteente elkaar ontmoeten, vindt het leven een manier om te ademen zonder zuurstof. In deze extreme omgevingen sijpelen enorme reservoirs van natuurlijk gas omhoog uit de aardkorst. Dit gas bestaat niet alleen uit methaan; het bevat aanzienlijke hoeveelheden propaan, een molecuul met drie koolstofatomen dat een belangrijke component is van de brandstof die we in onze huizen gebruiken. Decennialang wisten wetenschappers dat bepaalde bacteriën dit propaan konden afbreken in de afwezigheid van zuurstof, waarbij ze sulfaat uit het zeewater gebruikten om het proces aan te drijven. Echter, een cruciaal puzzelstukje ontbrak. Hoewel onderzoekers onlangs hadden ontdekt dat bepaalde oeroude eencellige organismen, archaea genoemd, andere kleine gasmoleculen zoals ethaan en butaan konden consumeren, had nog nooit iemand een archaeon gevonden dat in staat was om propaan te consumeren. Deze kloof liet een blinde vlek achter in ons begrip van hoe koolstof door de diepe aarde circuleert en hoeveel van dit krachtige broeikasgas er natuurlijk wordt verwijderd voordat het de atmosfeer bereikt.
Een team van onderzoekers heeft die kloof nu opgevuld door een specif kind van een hitte-minnend archaeon te identificeren dat gedijt op propaan. De ontdekking begon met een cultuur van microben die oorspronkelijk werden gekweekt om butaan te eten, verzameld uit de Guaymas Basin, een hydrothermaal bronveld in de Golf van Californië. Wanneer de wetenschappers de voedingsbron veranderden van butaan naar propaan, veranderde de gemeenschap van microben drastisch. Het dominante organisme, een bacterie die butaan at, verdween. In plaats daarvan nam een ander, minder voorkomend archaeon de controle over, dat in nauwe, microscopische clusters groeide met een partnerbacterie. Deze nieuwe cultuur, die de onderzoekers Propane50 noemden, bewees dat dit specifieke archaeon niet alleen kon overleven op propaan, maar het ook als zijn enige bron van energie en koolstof kon gebruiken, waarbij het een chemische reactie aanstuurde die sulfaat omzette in sulfide.
Het organisme dat centraal staat in dit proces is een kandidaatsoort genaamd Candidatus Syntrophoarchaeum caldarium. Het werkt niet alleen. Het vormt een symbiotisch partnerschap met een sulfaat-reducerende bacterie genaamd Candidatus Desulfofervidus auxilii. In deze arrangement breekt het archaeon de propaan af, maar kan het de overtollige elektronen die bij deze afbraak vrijkomen niet afvoeren. Het geeft deze elektronen rechtstreeks door aan zijn bacteriële partner, die ze gebruikt om sulfaat te reduceren tot sulfide. Deze uitwisseling is zo efficiënt dat de twee organismen samen groeien in dichte, zichtbare aggregaten. De onderzoekers bevestigden dat het archaeon degene is die het zware werk doet bij de afbraak van de propaan, terwijl de bacterie fungeert als de noodzakelijke elektronenvanger, waardoor de reactie kan doorgaan.
Om precies te begrijpen hoe dit minuscule organisme propaan eet, keken de wetenschappers in de cellen. Ze ontdekten dat het archaeon het propaanmolecuul activeert door een specifiek hulpmolecuul eraan te koppelen, waardoor een verbinding genaamd propyl-coenzym M ontstaat. Deze stap is de cruciale eerste zet die het propaan kwetsbaar maakt voor verdere afbraak. De onderzoekers identificeerden een specifiek enzymcomplex, dat ze ACR1 noemden, dat deze koppeling uitvoert. Interessant genoeg bevat het genoom van het archaeon instructies voor vier verschillende versies van dit enzym, maar alleen ACR1 wordt in grote hoeveelheden geproduceerd wanneer het organisme propaan eet. Dit suggereert dat ACR1 het gespecialiseerde gereedschap voor de taak is, in staat om het driekoolstof-propaanmolecuul met hoge efficiëntie te verwerken.
Zodra het propaan is geactiveerd, zet het archaeon het om in een vorm die volledig kan worden verbrand tot koolstofdioxide. Het pad houdt in dat het derivaat van propaan wordt omgezet in een molecuul genaamd propionyl-CoA, en vervolgens wordt herschikt tot acetyl-CoA, een centrale brandstof voor veel levensvormen. Ten slotte gebruikt het organisme een bekende metabole route, de omgekeerde Wood-Ljungdahl-route, om deze brandstof volledig te oxideren, waarbij energie en koolstofdioxide vrijkomen. Het hele proces is een geavanceerde, meerstaps assemblageband die het leven in zich laat gedijen in omstandigheden die dodelijk zouden zijn voor de meeste andere organismen.
Deze ontdekking verandert de manier waarop we naar de ondergrondse koolstofcyclus kijken. Het bewijst dat archaea niet alleen beperkt zijn tot het eten van methaan of even reeks alkanen zoals ethaan en butaan; ze kunnen ook oneven reeks moleculen zoals propaan aanpakken. Deze bevinding suggereert dat deze microscopische organismen een veel grotere rol spelen bij het opruimen van natuurlijke gaslekken dan voorheen werd aangenomen. Omdat de manier waarop deze archaea propaan afbreken een andere chemische vingerafdruk achterlaat dan de manier waarop bacteriën dat doen, kunnen wetenschappers deze kennis nu gebruiken om de samenstelling van gassen in diepe reservoirs beter te interpreteren. Het werk onthult een verborgen laag biologische activiteit in de diepe aarde, en laat zien dat het leven zelfs in de heetste, meest anoxische sedimenten gespecialiseerde hulpmiddelen heeft ontwikkeld om de zeer gassen te consumeren die onze moderne wereld voeden.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.