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Methankreislauf: Klimarelevante Mikroben entdeckt

Heiße Quellen wie die Tengchong Yunnan-Quelle in China sind ein Lebensraum der untersuchten Mikroorganismen. (Bild: Prof. Wenjun Li)

Manche Mikroorganismen erzeugen es, andere fressen das berüchtigte Treibhausgas Methan – in diesem globalen System aus mikrobiellem Auf- und Abbau könnte es möglicherweise bisher unbekannte Schlüsselfiguren geben, legen Studienergebnisse nahe: Forscher haben Mikroben aus dem Reich der Archaeen identifiziert, die über bisher unbekannte Varianten des Methanstoffwechsels verfügen. Vermutlich sind diese Systeme bei dieser Gruppe der Mikroben überraschend weit verbreitet, sagen die Forscher. Das deutet darauf hin, dass sie auch eine größere Bedeutung für die globale Kohlenstoffbilanz haben als bislang vermutet.

Es gilt als das „Klimakiller-Gas“, denn Methan hat eine 30 Mal stärkere Treibhauswirkung als Kohlendioxid. Deshalb stehen alle Faktoren, die seine Konzentration in der Atmosphäre beeinflussen bereits seit einiger Zeit im Fokus der Forschung. Klar ist: Neben den durch den Menschen verursachten Freisetzungen hat Methan auch natürliche Quellen. Es wird unter anderem von speziellen Mikroorganismen gebildet, wenn kein Sauerstoff für ihren Stoffwechsel zur Verfügung steht. Glücklicherweise gibt es allerdings auch den umgekehrten Weg: Manche Mikroben gewinnen aus Methan Energie – sie fressen es. Dadurch entsteht ein Kreislauf aus mikrobiellem Auf- und Abbau.

Interessant ist dabei: Egal, ob Methan produziert oder verzehrt wird – immer ist das gleiche Enzym involviert: die Methyl-Coenzym M-Reduktase (MCR). Dieses Enzym erzeugt Methan und kann dieses Gas auch wieder aufbrechen. Lange glaubten Wissenschaftler, dass nur wenige Arten von Mikroben Methan auf die eine oder andere Weise umsetzen können. Doch in der letzten Zeit mehrten sich die Hinweise, denen zufolge wichtige Schlüsselfiguren im Methankreislauf bisher übersehen wurden. Dieser Spur sind nun Wissenschaftler der chinesischen Jiao Tong Universität in Shanghai und des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen weiter nachgegangen: Sie machten sich gezielt auf die Suche nach neuen Methan-Organismen.

Suche im genetischen Heuhaufen

Um aufwendige Laboruntersuchungen an isolierten Mikroben zu umgehen, wählten sie einen genetischen Ansatz: Sie durchsuchten weltweite Genom-Datenbanken, in denen unbestimmtes genetisches Material gelistet ist, dass aus der Umwelt verschiedener sauerstoffarmer Standorte isoliert wurde, wie beispielsweise in heißen Quellen oder Salzseen. Es handelt sich also um eine Mischung von Erbgutsequenzen vieler unterschiedlicher Organismen. Um darin Spuren von Methan-Organismen zu identifizieren, nutzten die Wissenschaftler einen Trick: Sie suchten gezielt nach genetischen Sequenzen, deren Merkmale darauf schließen lassen, dass sie für die Bildung des Schlüsselenzyms des Methanstoffwechsels verantwortlich sind.

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Das Konzept erwies sich als erfolgreich: Die Forscher fanden auf diese Weise eine ganze Reihe bisher unbekannter Gene, die die nötigen Informationen zur Herstellung des Schlüsselenzyms MCR tragen. „Diese MCRs lassen sich grob in drei Gruppen einteilen“, sagt Co-Autor Yinzhao Wang von der chinesischen Jiao Tong Universität. „Eine Gruppe umfasst die bereits zuvor bekannten Gensequenzen. Die anderen beiden Gruppen sind völlig neu“, erklärt der Wissenschaftler.

Doch von welchen Mikroorganismen stammen diese genetischen Spuren? Um dieser Frage nachzugehen, nutzten die Forscher die neuen MCR-Sequenzen als Anfangs-Puzzlestücke: Sie suchten in der Unmenge der vorhandenen genetischen Daten nach passenden Sequenzen, um möglichst zum vollständigen Erbgut des jeweiligen Ursprungsorganismus zu kommen. Diese zusammengepuzzelten Genome konnten sie dann mit dem Erbgut bekannter Mikroorganismen vergleichen, um aufzuklären, zu welcher Gruppe die neuen Methan-Mikroben gehören.

Spannende Kandidaten für die weitere Forschung

Zur Überraschung der Forscher schienen sich die neuen Vertreter völlig von bereits bekannten Methan-Mikroben zu unterscheiden. „Wir fanden zum Beispiel Gene für das Schlüsselenzyms MCR in der Gruppe der Archaeoglobi und auch bei Archaeen aus dem TACK-Superstamm. Solche Stoffwechselwege sind bei diesen Organismen bisher nicht vermutet worden“, berichtet Fengping Wang von der Jiao Tong Universität. Wie sie erklärt, legen die Ergebnisse nahe, dass in Archaeen verschiedene Varianten des Methanstoffwechsels weit verbreitet sind. Möglicherweise haben diese Mikroorganismen somit eine größere Bedeutung für die globale Kohlenstoffbilanz als bislang angenommen.

Was die neuentdeckten Mikroben mit ihren MCR-Enzymen machen, ist allerdings noch weitgehend unklar. Bei einigen scheint es so zu sein, dass sie Methan erzeugen. Andere scheinen hingegen Methan zu verbrauchen. „Unsere Ergebnisse sind sehr spannend!“, sagt Gunter Wegener vom Bremer Max-Planck-Institut. „Einige ernähren sich offenbar sogar nicht einmal von Methan, sondern von anderen Kohlenwasserstoffen“, sagt der Forscher. Um genau zu verstehen, was die gefundenen Organismen so treiben, wollen er und seine Kollegen sie nun im Labor kultivieren. Vermutlich wird dies nicht ganz einfach sein, da die Mikroben sehr spezielle Wachstumsbedingungen benötigen. Sie werden ihre Kultivierungsversuche deshalb erst einmal mit Materialien und Bedingungen vom jeweiligen Fundort der neuen Methan-Mikroben beginnen, sagen die Forscher.

Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Nature Microbiology. DOI: 10.1038/s41564-019-0364-2

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