24.11.2022 - Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie

Eine Mi­kro­be, die Stick­stoff auf­bricht wäh­rend sie Me­than bil­det

Ein­bli­cke in eine „hei­ße” Mi­kro­be, die Stick­stoff zum Wach­sen nutzt und wäh­rend­des­sen Me­than erzeugt

Forschende des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie kultivieren erfolgreich einen Mikroorganismus, der gleichzeitig Stickstoff (N2) fixiert sowie Methan (CH4) und Ammoniak (NH3) produziert und decken spannende Details seines Stoffwechsels auf.

Koh­len­stoff und Stick­stoff sind die Grund­bau­stei­ne des Le­bens. Man­che Or­ga­nis­men spie­len eine ent­schei­den­de Rol­le für den Kreis­lauf bei­der Ele­men­te – bei­spiels­wei­se Methanothermococcus thermolithotrophicus. Hin­ter die­sem kom­pli­zier­ten Na­men ver­birgt sich eine kom­pli­zier­te Mi­kro­be. M. thermolithotrophicus ist ther­mo­phil – sie be­vor­zugt Tem­pe­ra­tu­ren um 65°C – und ge­hört zu den Me­tha­no­ge­nen, den me­than­bil­den­den Mi­kro­ben. Sie lebt im Mee­res­bo­den, in san­di­gen Strän­den eben­so wie in Salz­mar­schen und in der Tief­see. Mit Hil­fe von Was­ser­stoff (H2) wan­delt sie Stick­stoff (N2) und Koh­len­di­oxid (CO2) in Am­mo­ni­ak (NH3) und Me­than (CH4) um. Bei­de End­pro­duk­te, Am­mo­ni­ak und Me­than, sind sehr in­ter­es­sant für bio­tech­no­lo­gi­sche An­wen­dun­gen in der Dün­ge­mit­tel- und Bio­sprit­pro­duk­ti­on.

Tris­tan Wag­ner und Ne­ve­na Mas­lać vom Max-Planck-In­sti­tut für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie ist es nun ge­lun­gen, die­se Mi­kro­be in ei­nem Fer­men­ter zu züch­ten – eine gro­ße Her­aus­for­de­rung. „Es ist sehr kom­pli­ziert, die op­ti­ma­len Be­din­gun­gen zu schaf­fen, da­mit M. thermolithotrophicus wächst und ge­deiht, wäh­rend es Stick­stoff fi­xiert. Es braucht hohe Tem­pe­ra­tu­ren, kei­nen Sau­er­stoff und man muss den Ge­halt an Was­ser­stoff und Koh­len­di­oxid sehr ge­nau im Blick be­hal­ten“, sagt Mas­lać, die die­se Stu­die im Rah­men ih­rer Dok­tor­ar­beit durch­ge­führt hat. „Aber mit Ein­falls­reich­tum und Aus­dau­er ist es uns ge­lun­gen, dass die Mi­kro­be in un­se­rem La­bor nicht nur ge­wach­sen ist, son­dern so­gar die höchs­te bis­her be­kann­te Zell­dich­te er­reicht hat.“ So­bald die Kul­tu­ren am Lau­fen wa­ren, konn­ten die For­schen­den die Phy­sio­lo­gie der Mi­kro­be im De­tail un­ter­su­chen und an­schlie­ßend un­ter­su­chen, wie sich der Stoff­wech­sel der Mi­kro­be an die N2-Fi­xie­rung an­passt. „In en­ger Zu­sam­men­ar­beit mit Chand­ni Sid­hu und Han­no Tee­ling, eben­falls For­schen­de am Bre­mer Max-Planck-In­sti­tut, kom­bi­nier­ten wir phy­sio­lo­gi­sche Tests und dif­fe­ren­ti­el­le Tran­skrip­to­mik und konn­ten den Stoff­wech­sel von M. thermolithotrophicus da­durch ganz ge­nau un­ter­su­chen“, er­klärt Mas­lać.

So un­wahr­schein­lich wie eine Hum­mel

Der Stoff­wech­sel von M. thermolithotrophicus ist fas­zi­nie­rend: Die­se Mi­kro­be ge­winnt En­er­gie mit­tels Me­tha­no­ge­ne­se, die schon auf der frü­hen an­oxi­schen Erde ent­stan­den ist. Ver­gli­chen mit uns Men­schen, die Sau­er­stoff zur Um­wand­lung von Glu­ko­se in Koh­len­di­oxid nut­zen, ge­win­nen Me­tha­no­ge­ne nur sehr we­nig En­er­gie aus der Me­tha­no­ge­ne­se. Da­bei braucht die Stick­stoff­fi­xie­rung gi­gan­ti­sche Men­gen an En­er­gie, die die Mi­kro­be ei­gent­lich gar nicht lie­fern kann. „Sie sind ein biss­chen wie Hum­meln, die theo­re­tisch zu schwer zum Flie­gen sind, es aber of­fen­sicht­lich trotz­dem tun“, sagt Tris­tan Wag­ner, Grup­pen­lei­ter der Max-Planck-For­schungs­grup­pe Mi­kro­bi­el­le Me­ta­bo­lis­men. „Trotz die­ser En­er­gie­knapp­heit sind die­se fas­zi­nie­ren­den Mi­kro­ben so­gar die Haupt­stick­stoff­fi­xie­rer in man­chen Le­bens­räu­men.“

Eine wi­der­stands­fä­hi­ge Ni­tro­ge­na­se

Das En­zym, mit dem Le­be­we­sen Stick­stoff fi­xie­ren, ist die Ni­tro­ge­na­se. Die meis­ten Ni­tro­ge­na­sen brau­chen Mo­lyb­dän, um die Re­ak­ti­on durch­zu­füh­ren. Über die Mo­lyb­dän-Ni­tro­ge­na­se gibt es be­reits zahl­rei­che Stu­di­en, weil es sie auch in sym­bi­on­ti­schen Bak­te­ri­en in Pflan­zen­wur­zeln gibt. Die­se Ni­tro­ge­na­se wird durch Wolframat ge­hemmt. Über­ra­schen­der­wei­se ist das bei M. thermolithotrophicus an­ders: Mas­lać und ihre Kollegin­nen und Kol­le­gen ent­deck­ten, dass de­ren stick­stoff­ba­sier­tes Wachs­tum nicht durch Wolf­ramat ge­stört wird. „Un­se­re Mi­kro­be war bei der Stick­stoff­fi­xie­rung al­lei­ne von Mo­lyb­dän ab­hän­gig und küm­mer­te sich nicht um das Wolf­ramat. Das lässt ver­mu­ten, dass die Mi­kro­be ein an­ge­pass­tes Sys­tem der Me­tall­auf­nah­me hat, was sie noch at­trak­ti­ver für mög­li­che tech­no­lo­gi­sche Nut­zun­gen macht“, so Mas­lać.

Am­mo­niak­pro­duk­ti­on neu den­ken

Stick­stoff­fi­xie­rung, also die Ge­win­nung von Stick­stoff aus N2, ist der Haupt­weg, auf dem Stick­stoff in den bio­lo­gi­schen Kreis­lauf ge­langt. Für die in­dus­tri­el­le Dün­ge­mit­tel­pro­duk­ti­on wird die­ser Pro­zess durch das Ha­ber-Bosch-Ver­fah­ren er­mög­licht, bei dem Stick­stoff künst­lich fi­xiert wird, um un­ter ho­hen Tem­pe­ra­tu­ren und Drü­cken mit Was­ser­stoff Am­mo­ni­ak zu er­zeu­gen. So er­folgt der al­ler­größ­te Teil der glo­ba­len Pro­duk­ti­on von Am­mo­ni­ak, wel­ches als Dün­ge­mit­tel für die welt­wei­te Land­wirt­schaft un­er­läss­lich ist. Das Ha­ber-Bosch-Ver­fah­ren braucht sehr viel En­er­gie: Es ver­braucht 2% der welt­wei­ten En­er­gie­pro­duk­ti­on und ist gleich­zei­tig ver­ant­wort­lich für bis zu 1,4% der glo­ba­len Koh­len­stoff­emis­sio­nen. Da­her braucht es un­be­dingt nach­hal­ti­ge­re Al­ter­na­ti­ven der Am­mo­niak­pro­duk­ti­on. „Der von M. thermolithotrophicus ge­wähl­te Weg zeigt klar, dass es da drau­ßen in der Welt der Mi­kro­ben Lö­sun­gen für eine ef­fi­zi­en­te­re Am­mo­niak­pro­duk­ti­on ge­ben kann, wo­mög­lich so­gar in Kom­bi­na­ti­on mit ei­ner Pro­duk­ti­on des Bio­kraft­stoffs Me­than”, sagt Wag­ner. „Un­se­re Stu­die hat ge­zeigt, dass die­ser Me­tha­no­ge­nen un­ter stick­stoff­fi­xie­ren­den Be­din­gun­gen ihre ei­ge­ne Pro­te­in­pro­duk­ti­on zu­guns­ten der Stick­stoff­bin­dung op­fern, eine be­son­ders schlaue Stra­te­gie der En­er­gie­um­ver­tei­lung“, fasst Wag­ner zu­sam­men. „Als Nächs­tes wer­den wir die mo­le­ku­la­ren Fein­hei­ten des Pro­zes­ses und der be­tei­lig­ten En­zy­me ge­nau­er er­for­schen und auch an­de­re As­pek­te des Stoff­wech­sels die­ser Mi­kro­be un­ter die Lupe neh­men.“

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