Hoe ethaan-consumerende archaea hun favoriete eten oppikken

Hete ventilatieopeningen in de diepzee zijn de thuisbasis van microben die zich voeden met ethaan. Het werd onlangs ontdekt door wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie. Onderzoekers uit Bremen zijn er nu in geslaagd een belangrijk onderdeel van microbiële vergassing te vinden. Ze waren in staat om de structuur te ontcijferen van het enzym dat verantwoordelijk is voor het stabiliseren van ethaan. De structuur benadrukt enkele kenmerken die gemeen hebben met zijn stabiliserende tegenhanger van methaan, maar onthult ook de belangrijkste kenmerken van de specialisatie van ethaan. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap.

Dit inzicht is het resultaat van een nauwe samenwerking tussen verschillende onderzoeksgroepen van het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie. Een team over Cedric Hahn en Gunter Wegener ontdekte onlangs ethaanafbrekende microben in de hydrothermale bronnen van het Guaymas-bekken op een waterdiepte van 2.000 meter in de Golf van Californië. Ze noemden het Ethanoperedens thermophilum, wat ‘warmteminnende eter van ethaan’ betekent. Cedric Hahn heeft een Ph.D. Een student van de onderzoeksgroep Molecular Ecology kweekte ethaan-veroorzakende microben in het lab. Hahn, Wegner en hun collega’s van de Microbial Metabolism Research Group en Tristan Wagner en Olivier Lemerre hebben deze micro-organismen onder de loep genomen. Dit gezamenlijke werk onthulde de geheimen achter ethaanstabilisatie. “We waren verbaasd over wat we vonden. Afgezien van de wereldwijde gelijkenis, zijn sommige kenmerken van het enzym fundamenteel anders dan zijn tegenhanger – het enzym dat verantwoordelijk is voor het afbreken van methaan”, zegt Gunter Wegener, een wetenschapper in de onderzoeksgroep voor Deep Sea Environment and Technology .

Ethaaneters vertrouwen op hetzelfde enzym als methaaneters

In diepzeesedimenten wordt door aardwarmte organisch materiaal afgebroken tot olie en aardgas zoals ethaan. Ethaan wordt geconsumeerd door verschillende micro-organismen die een zogenaamde confederatie vormen: archaea, die aardgas afbreekt, en bacteriën, die elektronen die daarbij vrijkomen, binden aan sulfaatreductie, een verbinding die overvloedig aanwezig is in de oceaan. De ontdekking van ethaanetende microben zorgde voor een frisse wind in het onderzoek. Vergeleken met methaan-etende microben die veel tijd nodig hebben om te groeien, groeien ethaanspecialisten sneller en verdubbelen ze elke week. Zo wordt de productietijd van biomassa verminderd, wat pogingen mogelijk maakt om de belangrijkste enzymen die oxidatie katalyseren te zuiveren en te karakteriseren natuurlijk gas.

Om de overeenkomsten te testen tussen enzymen die methaanactivering katalyseren en methaan, voegde Cedric Hahn een bekende moleculaire remmer van methaanoxidatie toe aan zijn kweek. Deze behandeling maakte ook een einde aan de oxidatie van ethaan. “Dit geeft aan dat ethaanoxiderende Archaea ethaan activeert in enzymatische reacties die vergelijkbaar zijn met die in methanolyse/generatie”, zegt Cedric Hahn. Dergelijke enzymen zijn essentiële expertise van Tristan Wagner, die ze al enkele jaren heeft bestudeerd.

Structuur opnieuw ontworpen met een verbazingwekkend niveau van precisie

Cedric Hahn en Olivier Lemaire, eerste auteurs van het artikel dat nu is gepubliceerd in WetenschapDaarna probeerde hij het enzym te zuiveren dat verantwoordelijk is voor het fixeren van ethaan. “Het project zat vol uitdagingen”, zegt Olivier Lemerre. “We zuiveren enzymen meestal uit veel grotere hoeveelheden biomassa van een boerderij met een enkel micro-organisme. Uiteindelijk hebben we echter voldoende hoeveelheden zuivere enzymen verkregen voor structurele analyses.”

De volgende cruciale stap was het verkrijgen van kristallen van het enzym om de driedimensionale structuur te bepalen. “Röntgenkristallografie heeft uitstekende resultaten opgeleverd voorafgaand aan deze groep enzymen”, zegt Tristan Wagner, hoofd van de Microbial Metabolism Research Group en expert in deze techniek. “We hebben deze kristallen geanalyseerd met röntgendiffractie en de structuur van het enzym met ongekende atomaire precisie opgelost. Zo kunnen we de positie van individuele atomen bepalen en zo een zeer nauwkeurig beeld van de structuur krijgen.”

Het chassis vertoont veel ongekende eigenschappen. “We hebben gemerkt dat de katalytische kamer waarin de chemische reactie plaatsvindt twee keer zo groot is als de enzymen die methaan opvangen, wat logisch is aangezien ethaan groter is dan methaan”, zegt Olivier Le Maire. De cofactor, de katalysator voor de reactie, bevat twee extra methylgroepen. Deze methylgroepen werden bevestigd door Jörg Kahnt van het Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology, een wereldexpert op het gebied van deze cofactor. “We hebben een eiwit gevonden dat verantwoordelijk zou kunnen zijn voor deze methyls, en het wordt alleen gevonden bij ethaanconsumenten”, zegt Cedric Hahn. Omdat de ruimte groter is, past een gewone katalysator gewoon niet goed en wordt de reactie belemmerd. De methylering op de cofactor vergrendelt het in de juiste positie.

Verder bevat het enzym een ​​tunnel die het buitenste segment verbindt met de katalytische kamer. Deze tunnel wordt niet gevonden in vergelijkbare enzymen. De onderzoekers hebben het bestaan ​​van deze tunnel experimenteel aangetoond door samen te werken met Sylvain Engelberg van het Paul Scherer Instituut in Zwitserland, waar xenongas werd gebruikt in de eiwitkristallen. Xenon werd ontdekt in de katalytische kamer en de verwachte gastunnel, wat zijn bestaan ​​​​bewees. De tunnel wordt onderhouden en gestabiliseerd door gemodificeerde aminozuren en extra extensies.

Nu schakelen de lichten over op propaan en butaan

De structuur van het enzym illustreert hoe deze microben van geothermische actieve uitloging gespecialiseerd zijn geworden in het afvangen van ethaan. Dit werk zorgt voor een dieper begrip van de eerste stap in de ontleding van ethaan, de enige energiebron voor deze archaea. “Wat we hebben gevonden is dat” enzym De persoon die verantwoordelijk is voor het proces heeft specifieke kenmerken die herkend moeten worden ethaan In plaats van andere alkanen is het een enorme stap voorwaarts, maar het begrijpen van het hele afbraakproces is nog ver weg”, besluit Tristan Wagner.

Dus hoe ga je verder met je zoektocht? “Ons eerdere werk laat zien dat activering van langere alkanen vergelijkbare enzymen vereist”, zegt Gunther Wegener. “Als volgende stap willen we de specifieke eigenschappen onderzoeken van de enzymen die de activering van propaan en butaan katalyseren.”