Biochemie des mikrobiellen Methan

Jahrbuch 2013/2014 | Thauer, Rudolf Kurt | Biochemie des mikrobiellen Methan-Zyklus
Biochemie des mikrobiellen Methan-Zyklus
Biochemistry of the microbial methane cycle
Thauer, Rudolf Kurt
Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, Marburg
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Methan (CH4 ) ist ein w ichtiges Zw ischenprodukt im globalen Kohlenstoffkreislauf. Pro Jahr w ird etw a 1 Gt
Methan aus Biomasse gebildet und w eiter zu CO 2 oxidiert. An der Bildung sind vor allem anaerobe
Mikroorganismen beteiligt, w ährend an der Oxidation sow ohl anaerobe als auch aerobe Mikroorganismen
mitw irken. In der Atmosphäre w ird Methan, w o es als Treibhausgas w irkt, hauptsächlich durch photochemische
Oxidation remineralisiert. Die Untersuchungen zur Biochemie des Methan-Zyklus haben immer w ieder zu neuen
Entdeckungen geführt. Über zw ei kürzlich gemachte Entdeckungen w ird hier berichtet.
Summary
Methane (CH4 ) is an important intermediate in the global carbon cycle. Per year about 1 Gt methane is formed
from biomass
and
further oxidized
to
CO 2 . The
formation
of methane
involves
mainly anaerobic
microorganisms, w hereas in the oxidation of methane both anaerobic and aerobic microorganisms participate.
In the atmosphere, w here methane acts as a greenhouse gas, methane is predominantly re-mineralized
photochemically. Investigations of the biochemistry of the methane cycle have led over and over again to new
discoveries. On tw o of the most recent discoveries w ill be reported here.
Einleitung
Methan ist der w ahrscheinlich am häufigsten vorkommende Kohlenw asserstoff auf der Erde. Allein die
Methanhydrat Lagerstätten an den marinen Kontinentalabhängen w erden auf etw a 10.000 Gt Methan
geschätzt. Methan w ird vom Menschen als Brennstoff genutzt aber auch als Ausgangsrohstoff zur Erzeugung
von Wasserstoff (H 2 ) und für organische Synthesen. Methan kommt auch in der Atmosphäre vor, w o seine
Konzentration sich in den letzten 200 Jahren verdoppelt hat, w as von Besorgnis ist, da Methan ein
Treibhausgas mit einem fast 25-fach höheren Treibhauspotential als CO 2 ist. Die chemische oder mikrobielle
Bildung von Methan aus H2 und CO 2 w ird als Möglichkeit diskutiert,
den Energieträger Wasserstoff zu
speichern [1].
Jährlich w erden etw a 70 Gt Kohlenstoff aus CO 2 durch Photosynthese in pflanzlicher Biomasse netto fixiert
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Jährlich w erden etw a 70 Gt Kohlenstoff aus CO 2 durch Photosynthese in pflanzlicher Biomasse netto fixiert
(Abb. 1), w ovon etw a 60 Gt auf terrestrische Biomasse und 10 Gt auf marine Biomasse entfallen. Von der
Biomasse, von der der größte Teil aus Lignozellulosen besteht, w ird der Löw enanteil durch Mikroorganismen
und Tiere w ieder in CO 2 veratmet (remineralisiert). Aber etw a 1% gelangt in Biotope, in denen es w eder
Sauerstoff noch andere positive Elektronenakzeptoren w ie Nitrat, Nitrit, Fe(III), Mn(IV) oder Sulfat gibt, so in
Süßw assersedimenten und Sümpfen, im Intestinaltrakt von Mensch und Tier im Allgemeinen und im Pansen
von W iederkäuern im Besonderen, aber auch in Sulfat-verarmten marinen Sedimenten. In diesen Biotopen
w ird die Biomasse, vorw iegend deren verbleibende Zellulose-Bestandteile, zunächst unter Beteiligung von
anaeroben Protozoen, Pilzen und bzw . oder Bakterien hauptsächlich zu Essigsäure, CO 2 und H2 fermentiert,
die dann von methanogenen Archaea zu Methan umgesetzt w erden. Im Intestinaltrakt beschränkt sich die
Methanbildung auf H2 und CO 2 als Substrate, da die Essigsäure vom Tier resorbiert und damit dem Zugriff der
methanogenen Archaea entzogen w ird. Global addiert sich die jährlich durch methanogene Archaea gebildete
Methanmenge auf 1 Gt [2]. Dazu kommt eine kleinere Menge Methan, die in den Weltmeeren durch aereobe
Bakterien aus Methylphosphonat gebildet w ird, der Bestandteil der Zellw and von marinen Thaumarchaeota ist
[3]. Eine Gt Methan hat einen Brennw ert von 50 EJ (E [Exa] = 10 18 ). Zum Vergleich: Der globale
Primärenergieverbrauch beträgt derzeit rund 500 EJ.
A bb. 1: Sche m a tische Da rste llung de s Me tha n-Zyk lus. NP P ,
Ne ttoprim ä rproduk tion. Ge na ue Erlä ute rung im Te x t.
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Methan entsteht auch thermochemisch aus Biomasse bei der Kohlebildung, im reduzierenden Teil der Flamme
bei der Verbrennung von Biomasse, photochemisch aus Verbindungen w ie Pektin und rein anorganisch durch
Reduktion von CO 2 mit Fe(II) w ährend Serpentinisierungs-prozessen (Abb. 1).
Bis vor w enigen Jahren w urde allgemein angenommen, dass Methan nur in aeroben Prozessen biologisch
abgebaut w erden kann. Alle bekannten methanotrophen Mikroorganismen w aren auf O 2 angew iesen.
Inzw ischen steht aber fest, dass Methan auch in Biotopen ohne Licht und Sauerstoff zu CO 2 oxidiert w ird,
w obei Nitrat, Nitrit, Fe(III), Mn(IV) und Sulfat als Elektronenakzeptoren dienen [4]. Methan in der Atmosphäre
w ird zum allergrößten Teil photochemisch remineralisiert, nur ein kleiner Teil gelangt von der Atmosphäre
zurück in Böden und Gew ässer und w ird dort durch aerobe Methanotrophe mit hoher Methan-Affinität zu CO 2
umgesetzt ([5]; Abb. 1).
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Anaerobe Bildung und Oxidation von Methan werden von dem gleichen Enzymsystem
katalysiert
Eine der ersten aufregenden Entdeckungen bei der Untersuchung der Biochemie der Methanbildung w ar, dass
der eigentliche Methan-bildende Schritt in methanogenen Archaea von einem Enzym katalysiert w ird, dessen
prosthetische Gruppe ein Nickeltetrapyrrol ist, das im Ni(I) Zustand vorliegen muss, um aktiv zu sein (Abb. 2).
Das Enzym katalysiert die Reduktion von Methyl-Coenzym M (CH3 -S-CoM) mit Coenzym B (HS-CoB) zu Methan
und dem Heterodisulfid CoM-S-S-CoB (Reaktion (1), s. auch Abb. 3).
(1) CH3 -S-CoM + HS-CoB ⇌ CH4 + CoM-S-S-CoB ∆Go = -30 kJ/mol
Methyl-Coenzym M Reduktase (McrABG), deren Kristallstruktur mit einer Auflösung von 1,16 Å von uns bereits
1997 ermittelt w urde, kommt in allen methanogenen Archaea vor [6]. Sie ist aus den Untereinheiten McrA,
McrB und McrG aufgebaut, von denen die McrA-Untereinheit fünf hoch konservierte post-translationale
Modifikationen enthält, darunter ein Thioglycin, deren Funktionen bisher noch nicht aufgeklärt w erden
konnten.
A bb. 2: Struk tur von Kofa k tor F430 a us m e tha noge ne n und
m e tha notrophne n Archa e a . Die be ide n gra u hinte rle gte n
Me thylgruppe n sta m m e n a us S-Ade nosylm e thionin [6]. ANME
ste ht für m e tha notrophe Archa e a , die zusa m m e n m it Sulfa tre duzie re nde n Ba k te rie n die a na e robe O x ida tion von Me tha n
k a ta lysie re n.
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AC S P ublica tions, m it fre undliche r Ge ne hm igung
McrA enthält nicht nur die fünf post-translationalen Modifikationen, sondern auch hoch konservierte Abschnitte,
die als Gensonden für die Identifizierung von methanogenen Archaea Verw endung finden. Mithilfe dieser
Gensonden
sind
kürzlich
zw ei neue
Ordnungen
von
Methanbildnern
entdeckt
w orden, nämlich
die
Methanocellales und die Methanoplasmatales. Dank derselben Gensonden w ar bereits vor zehn Jahren entdeckt
w orden, dass methanotrophe Archaea (ANME-1, ANME-2 und ANME-3), die an der anaeroben Oxidation von
Methan mit Sulfat beteiligt sind, mcr-Gene enthalten, die offensichtlich auch exprimiert w erden: Methanotrophe
Archaea enthalten hohe Konzentrationen an Mcr Protein. Aber es gelang erst in den letzten Jahren
nachzuw eisen, dass McrABG aus methanotrophen Archaea auch Methyl-Coenzym M und Coenzym B als
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Substrate verw enden und dass - so zeigten Laborversuche - Methyl-Coenzym M Reduktase auch tatsächlich
die Oxidation von Methan katalysieren kann, und zw ar mit spezifischen Raten, die denen in vivo entsprechen.
Letzteres w ar entscheidend, denn auf Grund des ∆Go von -30 kJ/mol w urde zunächst allgemein angenommen,
dass Reaktion (1) irreversibel verläuft [7].
Bemerkensw ert ist, dass Methyl-Coenzym M Reduktase aus ANME-1 Archaea einen modifizierten Kofaktor F430
enthält (Abb. 2). In Methyl-Coenzym M Reduktase aus ANME-2 und ANME-3 Archaea und in allen
methanogenen Archaea w ird nur der unmodifizierte F430 Kofaktor gefunden. Eine funktionelle Erklärung steht
dafür noch aus.
Inzw ischen scheint es, dass auch die anaerobe Oxidation von Methan mit Nitrat, Fe(III) und Mn(IV) in
methanotrophen Archaea unter Beteiligung von Methyl-Coenzym M Reduktase abläuft [4]. Da sow ohl
methanogene als auch methanotrophe Archaea Methyl-Coenzym M Reduktase in hohen Konzentrationen - bis
zu 10% ihres löslichen Zellproteins - enthalten, dürfte das Nickelenzym eines der mengenmäßig häufigsten
Enzyme in der anaeroben W elt sein.
Bezüglich des Katalysemechanismus gibt es in der Literatur unterschiedliche Ansichten, insbesondere über die
Startreaktion, w obei keiner der Mechanismen eine Erklärung für die posttranslationalen Modifikationen gibt,
die auch in Methyl-Coenzym M Reduktasen von methanotrophen Archaea gefunden w erden. Mechanismus 1,
für den es die meisten experimentellen Evidenzen gibt, geht davon aus, dass CH3 -S-CoM im aktiven Zentrum
mit Ni(I) von F430 zu Ni(III)-CH3 reagiert. Er berücksichtigt aber nicht, dass die geforderte nukleophile
Substitution thermodynamisch äußerst ungünstig zu sein scheint, w as theoretische Rechnungen ergeben
haben. Dagegen behauptet Mechanismus 2, dass Ni(I) von F430 im ersten Schritt ein Elektron an den Schw efel
von CH3 -S-CoM abgibt, w obei ein Methyl-Radikal entsteht, w as thermodynamisch ohne Problem zu sein
scheint. Aus Messungen von Isotopeneffekten, die den Rahmen für den Katalysemechanismus abstecken, geht
jedoch hervor, dass noch vieles unverstanden ist [8].
Abschließend sei erw ähnt, dass die anaerobe Oxidation von Methan mit Nitrit nicht durch Archaea, sondern
durch Bakterien katalysiert w ird, die 2 NO in N2 und O 2 dismutieren und so Sauerstoff für die Oxidation von
Methan bereitstellen, die durch eine Membran-gebundene Methan-Monooxygenase katalysiert w ird [9].
Energetische Kopplungen durch Flavin-basierte Elektronen-Bifurkationen
Die
am
Methan-Zyklus
beteiligten
anaeroben
Mikroorganismen
benötigen
fast
alle
Ferredoxin
für
Reduktionsreaktionen, w obei das Problem auftaucht, dass das Redoxpotenzial von Ferredoxin (-450 mV)
negativer ist als das der meisten physiologischen Elektronendonatoren. So beträgt das Redoxpotenzial von H2
bei pH 7 und einem physiologischen H2 Partialdruck von 10 Pa nur etw a -300 mV. W ie kann Ferredoxin (-450
mV), das zum Beispiel für die Reduktion von CO 2 im ersten Schritt der Methanogenese benötigt w ird, durch H2
(-300 mV) reduziert w erden, obw ohl diese Reaktion doch endergon ist (Abb. 3)? Diese Frage w ar bis vor ein
paar Jahren offen [10].
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A bb. 3: Sche m a de s Stoffwe chse ls von m e tha noge ne n
Archa e a , die a uf H 2 und C O 2 a ls Ene rgie que lle wa chse n. Im
Stoffwe chse l wird die e nde rgone R e duk tion von Fe rre dox in(450 m V) m it H 2 (-300 m V) m it de r e x e rgone n R e duk tion von
C oM-S-S-C oB (-100 m V) m it H 2 (-300 m V) durch Fla vinba sie rte Ele k trone n-Bifurk a tion ge k oppe lt. MFR ,
Me tha nofura n; H 4MP T, Te tra hydrom e tha nopte rin; F 420,
C oe nzym F420; C oM-S-S-C oB, He te rodisulfid a us C oe nzym M
und C oe nzym B [2, 10].
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Na ture P ublishing Group, m it fre undliche r Ge ne hm igung
Schlüssel zum Verständnis w ar die Entdeckung, dass in am Methan-Zyklus beteiligten Buttersäure-bildenden
Clostridien die endergone Reduktion von Ferredoxin (-450 mV) mit NADH (-280 mV) durch Kopplung mit der
exergonen Reduktion von Crotonyl-CoA (-30 mV) mit NADH zu Butyryl-CoA möglich w ird. Diese gekoppelte
Reaktion w ird von einem cytoplasmatischen Enzymkomplex Bcd/EtfAB katalysiert, der als prosthetische
Gruppen nur FAD enthält (Abb. 4, zw eite Zeile). In Analogie zur Rolle von Ubichinon in der Atmungskette
w urde postuliert, dass durch ein-Elektronen Oxidation des mit zw ei Elektronen reduzierten FAD ein FlavinRadikal entsteht, dessen Redoxpotenzial dem von Ferredoxinen entspricht: Also eine oxidationsgetriebene
Reduktion, deren Elektronen-Bifurkation Flavin basiert ist [10].
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A bb. 4 Cytopla sm a tische Enzym k om ple x e m it Fla vin-ba sie rte r
Ele k trone n-Bifurk a tion. Bishe r sind vie r nicht-hom ologe
Enzym fa m ilie n e ntde ck t worde n [10].
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Es hat dann nicht lange gedauert, das Problem der endergonen Reduktion von Ferredoxin (-450 mV) mit H2 (300 mV) in methanogenen Archaea zu lösen (Abb. 3). Die Reduktion w ird möglich durch Kopplung mit der
Reduktion von CoM-S-S-CoB - Reaktion (1) (-100 mV) - mit H2 (-300 mV). Die beiden gekoppelten Reaktionen
w erden von einem cytoplasmatischen Enzymkomplex MvhAGD/HdrABC katalysiert, der gebunden an HdrA ein
FAD enthält (Abb. 4, erste Zeile).
Schlussfolgerung
Sow eit w ir es heute bereits übersehen, spielt die Flavin-basierte Elektronen-Bifurkation im Stoffw echsel der
meisten anaeroben Mikroorganismen eine zentrale Rolle (Abb. 4). Kaum zu glauben, dass vermeintlich längst
aufgeklärte Stoffw echselw ege noch so viele neue Entdeckungen bergen. Ehe diese gehoben sind, w ird es
w enig
sinnvoll sein, zu
versuchen, über systembiologische
Analysen
und
synthetische
Ansätze
zu
Mikroorganismen mit verbesserten Stoffw echselleistungen zu gelangen, w ie das ja auch bisher w eitgehend
erfolglos versucht w orden ist.
Kollaborationen
Die hier vorgestellten Ergebnisse sind in Zusammenarbeit entstanden mit Seigo Shima an unserem Institut,
mit Wolfgang Buckel von der Philipps-Universität Marburg, mit Ulrich Ermler vom Max-Planck-Institut für
Biophysik in Frankfurt/Main und mit Bernhard Jaun von der Eidgenössisch-Technischen Hochschule (ETH)
Zürich.
Literaturhinweise
[1] Thauer, R. K.; Kaster, A.; Goenrich, M.; Schick, M.; Hiromoto, T.; Shima, S.
Hydrogenases from methanogenic archaea: structure and function, nickel regulation, and H2-storage
Annual Review of Biochemistry 79, 507-536 (2010) DOI: 10.1146/annurev.biochem.030508.152103
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[2] Thauer, R. K.; Kaster, A. K.; Seedorf, H.; Buckel, W.; Hedderich, R.
Methanogenic archaea: ecologically important differences in energy conservation
Nature Review s Microbiology 6, 579-591(2008) DOI: 10.1038/nrmicro1931
[3] Metcalf, W. W.; Griffin, B. M.; Cicchillo, R. M.; Gao, J.; Janga, S. C.; Cooke, H. A.; Circello, B. T.; Evans,
B. S.; Martens-Habbena, W.; Stahl, D. A.; van der Donk, W. A.
Synthesis of methylphosphonic acid by marine microbes: a source for methane in the aerobic ocean
Science 337, 1104-1107 (2012) DOI: 10.1126/science.1219875
[4] Haroon, M. F.; Hu, S.; Shi, Y .; Imelfort, M.; Keller, J.; Hugenholtz, P.; Y uan, Z.; Tyson G. W.
Anaerobic oxidation of methane coupled to nitrate reduction in a novel archaeal lineage
Nature 567-570 (2013) DOI:10.1038/nature12375
[5] Conrad, R.
The global methane cycle: recent advances in understanding the microbial processes involved
Environmental Microbiology Reports 1, 285-292 (2009) DOI: 10.1111/j.1758-2229.2009.00038.x
[6] Thauer, R. K.
Biochemistry of methanogenesis: a tribute to Marjory Stephenson
Microbiology 144, 2377-2406 (1998) DOI: 10.1099/00221287-144-9-2377
[7] Scheller, S.; Goenrich, M.; Boecher, R.; Thauer, R. K.; Jaun, J.
The key nickel enzyme of methanogenesis catalyses anaerobic oxidation of methane
Nature 465, 606-608 (2010) DOI:10.1038/nature09015
[8] Scheller, S.; Goenrich, M.; Thauer, R. K.; Jaun, B. M.
Methyl-coenzyme M reductase from methanogenic archaea: isotope effects on the formation and
anaerobic oxidation of methane
Journal of the American Chemical Society 135, 14975-14995 (2013) DOI: 10.1021/ja406485z
[9] Wu, M. L.; Ettwig, K. F.; Jetten, M. S. M.; Strous, M.; Keltjens, J. T.; van Niftrik, L.
A new intra-aerobic metabolism in the nitrite-dependent anaerobic methane-oxidizing bacterium
Candidatus 'Methy lom irabilis oxy fera'
Biochemical Society Transactions 39, 243-248 (2011) DOI:10.1042/BST0390243
[10] Buckel, W.; Thauer, R. K.
Energy conservation via electron bifurcating ferredoxin reduction and proton/Na+ translocating
ferredoxin oxidation
Biochimica et Biophysica Acta 1827, 94-113 (2013) DOI: 10.1016/bbabio.2012.07.002
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