Methanogene Archaeen beeinflussen das globale Klima erheblich, da sie fast das gesamte natürliche Methan produzieren. Dieser Prozess beruht auf Enzymen, die die Metalle Eisen (Fe) und Nickel (Ni) enthalten. Ein Team der Max-Planck-Institute für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und für Biophysik in Frankfurt am Main hat nun entdeckt, dass die Mikroben ihren Stoffwechsel anpassen können, wenn die Nickelverfügbarkeit gering ist – eine Situation, die in vielen natürlichen Lebensräumen vorkommt. Die Studie erweitert unser Verständnis der mikrobiellen Ökologie und ihrer Rolle im Klimawandel.
Metalle sind in der mikrobiellen Biokatalyse entscheidend, da sie als Cofaktoren für Enzyme dienen. Metallionen wie Nickel und Eisen befinden sich häufig an der aktiven Stelle der Enzyme und ermöglichen den Elektronentransfer sowie die Substratumwandlung. Frühere Studien zeigten, dass methanogene Archaeen, die von Wasserstoff (H₂) leben, auf [NiFe]-Hydrogenasen angewiesen sind und daher Eisen und Nickel benötigen. Bei der Methanbildung wandeln diese Enzyme Wasserstoffgas in Methan um und nutzen dabei die flavinbasierte Elektronenbifurkationsreaktion (FBEB), einen wichtigen Prozess der Elektronenübertragung. Diese Schlüsselreaktion, die eine effiziente Energienutzung ermöglicht, wurde von den Marburger Forschern Rolf Thauer und Wolfgang Buckel entdeckt.
Natürliche Lebensräume sind arm an Nickel
Der bei methanogenen Mikroorganismen identifizierte Weg wurde in Laborkulturen aus natürlichen Umgebungen entdeckt, die jedoch eine 100-mal höhere Nickelkonzentration aufwiesen als in der Natur. In natürlichen Lebensräumen sind die Nährstoffvorräte meist sehr begrenzt, und in Meeres- sowie Süßwasserumgebungen sind bioverfügbare Metallionen nur in geringen Mengen vorhanden. Die Frage war daher, ob Methan auch unter diesen Bedingungen entstehen kann und wie das funktioniert. Ein Forschungsteam unter Leitung von Dr. Seigo Shima am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie untersuchte genau diese Methanbildung in nährstoffarmen Umgebungen.
„Wir waren überrascht, dass die Konzentration der [NiFe]-Hydrogenasen in diesen methanogenen Archaeen nahezu null betrug“, sagt Dr. Shunsuke Nomura, Hauptautor der Studie. Stattdessen sah es so aus, als wenn der Stoffwechselweg vollständig durch ein nickelfreies Enzymsystem ersetzt worden wäre. Dr. Bonnie Murphy vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt erläutert: „Die Kryo-EM-Untersuchung zeigte eine komplexe Enzymstruktur ohne Nickel. Diese kann als Elektronenlieferant für die FBEB-Reaktion im methanogenen Stoffwechselweg fungieren und die [NiFe]-Hydrogenasen ersetzen.“
Eine vergleichende Genomanalyse deutet darauf hin, dass dieser neuartige Methanstoffwechsel in der Natur weit verbreitet ist und Organismen dabei helfen könnte, sich an ihre Umgebung anzupassen und ohne Nickel zu überleben.
Es ist wichtig zu verstehen, wie mikrobielle Enzyme den Klimawandel beeinflussen
„Nach gängigen Lehrbüchern sind nickelhaltige Hydrogenasen die einzigen funktionierenden Hydrogenasen in methanogenen Mikroben. Unsere Ergebnisse zeigen, dass dies nicht zutrifft. Das vollständige Verschwinden und der Ersatz des nickelhaltigen Hydrogenase-Enzyms stellt also einen bedeutenden Paradigmenwechsel dar. Es erweitert unser Verständnis des Methan-Stoffwechsels in der Natur“, sagt Seigo Shima. Es ist besonders erstaunlich, da nickelhaltige und nicht-nickelhaltige Hydrogenasen unterschiedlich sind, mit verschiedenen Proteinstrukturen, Reaktionsmechanismen und Hemmstoffempfindlichkeiten.
Die Studie zeigt, wie wichtig es ist, die physiologischen Reaktionen von Mikroorganismen in unterschiedlichen Umgebungen zu verstehen, da ihre Aktivität erheblich zu den Treibhausgaskonzentrationen beiträgt. Mit weiteren Forschungen zu diesem alternativen Stoffwechselweg hoffen die Wissenschaftler, effektivere Strategien zur Reduzierung der Methanwirkungen auf das globale Klima zu entwickeln.
Quelle
Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie (07/2025)
Publikation
Nomura, S.; San Segundo-Acosta, P.; Protasov, E.; Kaneko, M.; Kahnt, J.; Murphy, B.; Shima, S.
Electron flow in hydrogenotrophic methanogens under nickel limitation
Nature Vol 642, 8070
DOI: 10.1038/s41586-025-09229-y
https://dx.doi.org/10.1038/s41586-025-09229-y