Mikroben spielen eine entscheidende Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf, insbesondere die methanogenen Archaeen, die für die natürliche Produktion von Methan verantwortlich sind. Diese Mikroben sind in der Lage, Wasserstoff (H₂) in Methan umzuwandeln, und dieser biochemische Prozess ist stark von bestimmten Metallionen abhängig, insbesondere von Eisen (Fe) und Nickel (Ni). Eine aktuelle Studie, die von einem Team der Max-Planck-Institute für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und für Biophysik in Frankfurt am Main durchgeführt wurde, zeigt jedoch, dass methanogene Mikroben ihren Stoffwechsel anpassen können, wenn die Verfügbarkeit von Nickel begrenzt ist. Diese Erkenntnis könnte weitreichende Implikationen für unser Verständnis der mikrobiellen Ökologie und deren Einfluss auf den Klimawandel haben.
Die Forschungsergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht und erweitern unser Wissen über die Funktionsweise von Mikroben in Umgebungen, in denen Nickel in sehr geringen Konzentrationen vorkommt. Bei der Umwandlung von Wasserstoff in Methan kommen spezielle Enzyme zum Einsatz, die Metallionen als Cofaktoren benötigen. Diese Metallionen sind für den Elektronentransfer verantwortlich, der den enzymatischen Reaktionsprozess ermöglicht. In der Vergangenheit ging man davon aus, dass nickelhaltige Hydrogenasen die Hauptakteure in der Methanproduktion bei diesen Mikroben sind. Diese Enzyme sind entscheidend für den Prozess der Elektronenübertragung, der in der flavinbasierten Elektronenbifurkationsreaktion (FBEB) stattfindet.
Allerdings basierte dieses Wissen auf Laborstudien, in denen Mikroben unter Bedingungen kultiviert wurden, die eine hundertmal höhere Nickelkonzentration aufwiesen als in natürlichen Lebensräumen. In der Natur sind viele dieser Lebensräume, wie Meeres- und Süßwasser, arm an bioverfügbaren Metallionen. Das Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Seigo Shima wollte herausfinden, ob Methan auch unter diesen nährstoffarmen Bedingungen produziert werden kann und wie dies geschieht.
Überraschenderweise stellte sich heraus, dass die Konzentration der [NiFe]-Hydrogenasen in den untersuchten methanogenen Archaeen nahezu null betrug. Stattdessen fanden die Forscher heraus, dass die Mikroben einen nickelfreien Stoffwechselweg entwickelt hatten, um die Methanproduktion aufrechtzuerhalten. Dr. Bonnie Murphy, eine Mitautorin der Studie, erklärte, dass die Analyse mittels Kryo-Elektronenmikroskopie eine komplexe Enzymstruktur offenbarte, die in der Lage ist, als Elektronenlieferant für die FBEB-Reaktion zu fungieren und somit die Funktion der [NiFe]-Hydrogenasen zu ersetzen.
Eine vergleichende Genomanalyse deutet darauf hin, dass dieser neuartige Methanstoffwechsel in der Natur weit verbreitet ist. Diese Fähigkeit könnte es den Mikroben ermöglichen, sich an ihre Umgebung anzupassen und in nickelarmen Lebensräumen zu überleben. Dr. Shima betont, dass dies ein bedeutender Paradigmenwechsel in der mikrobiellen Biochemie darstellt. Traditionell galt die Annahme, dass nickelhaltige Hydrogenasen die einzigen funktionierenden Enzyme in methanogenen Mikroben sind. Die jetzigen Ergebnisse zeigen, dass dies nicht der Fall ist und dass auch nickelfreie Enzyme eine wichtige Rolle spielen können.
Diese Entdeckung hat weitreichende Konsequenzen für das Verständnis der physiologischen Reaktionen von Mikroorganismen und deren Einfluss auf den Klimawandel. Angesichts der Tatsache, dass Methan ein hochwirksames Treibhausgas ist, ist es von größter Bedeutung, die Mechanismen zu verstehen, durch die Mikroben ihre Aktivitäten an verschiedene Umgebungsbedingungen anpassen. Die weitere Erforschung dieser alternativen Stoffwechselwege könnte dazu beitragen, wirksamere Strategien zur Minderung der Auswirkungen von Methan auf das globale Klima zu entwickeln.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Fähigkeit von Mikroben, ihren Bedarf an Nickel zu senken und alternative Wege zur Methanproduktion zu nutzen, ein spannendes Forschungsfeld eröffnet. Diese Erkenntnisse könnten nicht nur unser Verständnis der mikrobiellen Ökologie revolutionieren, sondern auch neue Ansätze zur Bekämpfung des Klimawandels ermöglichen.
