- Forschung & Instrumente
- Wie wir forschen - Unsere Instrumente und Methoden
- Instrumente und Methoden
- Methoden
- Analyse mikrobieller Metabolismen
Analyse mikrobieller Metabolismen
Warum ist die Erforschung mikrobieller Stoffwechsel relevant?
Das Ziel der Forschungsgruppe Mikrobielle Metabolismen ist es auf molekularer Ebene zu verstehen, wie Methanogene in extremen Umwelten überleben und wachsen können. Denn sie sind der Schlüssel um im Folgenden diese Geheimnisse zum Beispiel für die synthetische Chemie nutzen zu können. Im Fokus der Forschung stehen deshalb Fragen wie: Wie schaffen es Methan-Bakterien, aus verschiedenem Kohlenstoff-Quellen so effizient Methan zu produzieren? Wie wandeln sie Minerale in die elementaren Bausteine des Lebens um? Und wie schützen sie sich selbst gegen Stressfaktoren ihrer natürlichen Umwelt?
Wie funktioniert diese Forschung?
Um Antworten auf all diese Fragen zu finden müssen wir diese Mikroorganismen im Labor kultivieren und die verschiedenen chemischen Reaktionen untersuchen, die in ihnen ablaufen. Die Enzyme, die die Umwandlung von Mineralen und Gasen katalysieren, sind Proteine die fremdartige Reaktionen dirigieren die für Chemikerinnen und Chemiker bisher eine hohe Herausforderung darstellen. Wir entnehmen diese Enzyme und trennen sie von anderen Proteinen, indem wir sie direkt aus dem nativen Organismus aufreinigen. Danach entschlüsseln wir die molekularen Geheimnisse der chemischen Reaktionen via Röntgen-Kristallographie. Das bedeutet, dass wir die Enzyme zunächst kristallisieren müssen, um anschließend Röntgenstrahlen verwenden zu können, die uns Bilder unserer Enzyme liefern.
Eine der größten Herausforderungen für die die Forschungsgruppe ist die Kultivierung der Methanogene im Labor: Benötigt werden dafür spezielle Gase, Ausrüstung und – das Wichtigste – das Wissen, was diese Bakterien benötigen, damit sie wachsen und studiert werden können.
Welche Geräte werden dafür benötigt?
Autoklav
Ein Autoklav wird zum zum Sterilisieren von Lösungen und Materialien verwendet. Auch Abfall wird vor der Entsorgung nochmals autoklaviert. Oft verfügen Arztpraxen über kleinere Autoklave zum Sterilisieren von Arztwerkzeug - daher sind sie dem einen oder anderen vielleicht bekannt. Am Institut haben wir ein sehr großes Autoklav, in dem auch größere Instrumente sterilisiert werden können.
Gasaustauscher mit manueller Bedienung
Viele unserer Organismen wachsen anaerob, also ohne Sauerstoff. Deshalb benötigen wir den Gasaustauscher um Lösungen und Kulturen mit den Gasen Stickstoff oder einem Wasserstoff-Kohlendioxidgemisch zu anaerobisieren. Anaerobisierung bedeutet, dass der Sauerstoff entfernt wird.
Automatisierter Gasaustauscher
Dieses Gerät läuft automatisch und dient ebenfalls der Entfernung von Sauerstoff aus Lösungen. In unserem Falle ist es aber nur mit Stickstoff verwendbar.
Inkubatoren
Das Labor verfügt über spezielle Schüttelinkubatoren, die bis auf 80 °C temperiert werden und bis zu maximal 220 Rotationen pro Minute geschüttelt werden können. Diese Inkubatoren gewährleisten perfekte Wachstumsbedingungen für viele Mikroorganismen, die in Erlenmeyerkolben oder druckresistenten Flaschen kultiviert wurden.
Fermenter
Häufig werden kleine und druckresistente Flaschen benutzt, um anaerobe Mikroorganismen zu kultivieren. Mithilfe von Fermentern kann das Kultivierungsvolumen deutlich erhöht werden – auf bis zu 10 Litern. Außerdem ist ein konstanter Gas-Zufluss möglich, der das Wachstum von Mikroorganismen stimuliert.
Sonication
Um die Proteine aus den Mikroorganismen extrahieren zu können, müssen die Zellen geöffnet werden. Häufig passiert dies mit Sonication – hier werden die Zellen mittels Ultraschall aufgebrochen. Durch die geringe Größe des Gerätes wird es auch in einem der anaeroben Zelte verwendet.
French Press
Die French Press wird ebenfalls zum Zellaufschluss verwendet und arbeitet mit hohem Druck, der manuell eingestellt werden kann.
Aekta Avant (Flüssigkeits-Chromatografie)
Dieses Gerät dient zur Aufreinigung von Proteinen, allerdings unter aeroben Umständen - also in der Gegenwart von Sauerstoff. Für die anaerobe Aufreinigung stehen diese Geräte auch in den Coy Zelten zur Verfügung.
Anaerobe Kammern
Das MicroMet Team verfügt über fünf anaerobe Kammern:
- Eine Kammer hat eine Stickstoff/Kohlenstoffdioxid Atmosphäre. Hier werden die anaeroben Mikroorganismen „geerntet“ und die Zellen können mittels einem Sonicator anaerob aufgebrochen werden.
- Drei Kammern haben eine Wasserstoff/Stickstoff Atmosphäre und stehen in einem Raum, der unter 18°C gehalten und gelb beleuchtet werden kann. Dies ist notwendig, da einige der Enzyme unter normalem Licht kaputtgehen. Zwei Kammern enthalten sämtliche Geräte, die zur anaeroben Proteinaufreinigung notwendig sind. Hier können die Proteine aufgebrochen und voneinander separiert werden. Eine Kammer dient ausschließlich der Proteinkristallherstellung vorgesehen. Da die Kristallisierung ein delikater Prozess ist, steht die Kammer auf einen Vibrationstisch und die anaerobe Atmosphäre wird durch ein Filtersystem Partikel frei gehalten.
- Die fünfte Kammer hat eine Stickstoff Atmosphäre und wird für anaerobe Roboterkristallisation und Proteincharakterisierung verwendet.
Gas-Chromatographen
Die Gas-Chromatographen dienen zum Messen von Gasen sowie der Bestimmung der Konzentration zum Beispiel während des Wachstums von Zellkulturen. Unter anderem können folgende Gase gemessen werden: Methan, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und Sauerstoff.
Photometer
Mit dem Photometer werden Enzym-Aktivitäten gemessen und Aufnahmen von Spektren (Wellenlängenscan von 200-1100 nm) gemacht. Dabei sind maximal 18 Küvetten gleichzeitig messbar, das geringste Probenvolumina beträgt 5 - 1000 µl). Die Temperatur kann auf bis zu 90 °C eingestellt werden.
Beispiele aus der Forschung
Zelluläres Kraftwerk recycelt Industrie-Abgase
Kohlenmonoxid ist ein hochgiftiges Gas. Menschen sterben innerhalb weniger Minuten, wenn sie es einatmen. Trotzdem gibt es Bakterien, die Kohlenmonoxid nicht nur widerstehen können, sie verwenden es sogar zum Atmen und zur Vermehrung. Erkenntnisse darüber, wie diese Bakterien überleben, öffnen ein Fenster in die Urzeiten der Erde und zur Entstehung des Lebens. Gleichzeitig könnten sie für die Zukunft sehr nützlich sein, da sie zur Reinigung von Abgasen und zur Herstellung von Biokraftstoffen verwendet werden können.
In dem Zusammenhang haben zwei Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen eine überraschende Entdeckung gemacht. Sie fanden heraus, dass sich ein Enzym in zwei Bakterien drastisch unterscheidet, obwohl es sich um das gleiche Enzym und ähnliche Bakterien handelt. Die beiden Wissenschaftler verwendeten die Kristallisationsmethode, um Kristalle des Enzyms CODH/ACS zu erhalten und die 3D-Struktur des Proteins mittels Röntgenkristallographie zu bestimmen.
Mehr Informationen gibt es in der Pressemitteilung "Zelluläres Kraftwerk recycelt Industrie-Abgase"
Originalveröffentlichung:
Olivier N. Lemaire and Tristan Wagner: Gas channel rerouting in a primordial enzyme: Structural insights of the carbon-monoxide dehydrogenase/acetyl-CoA synthase complex from the acetogen Clostridium autoethanogenum. BBA – Bioenergetics, 2020
Wasser am Ende des Tunnels
Wir Menschen brauchen Sauerstoff zum Atmen – für viele Mikroben ist er dagegen ein tödliches Gift. Darum haben Mikroorganismen Wege entwickelt, Sauerstoffmoleküle unschädlich zu machen. Forschenden aus Bremen, Marburg und Grenoble ist es nun gelungen, einen solchen Mechanismus zu entschlüsseln. Sie zeigen, wie Methanbakterien den für sie so gefährlichen Sauerstoff in harmloses Wasser verwandeln, ohne dabei Schaden zu nehmen. Diese Erkenntnisse sind relevant für zukünftige bio-inspirierte Prozesse in der Industrie.
Mehr Informationen gibt es in der Pressemitteilung "Wasser am Ende des Tunnels"
Originalveröffentlichung:
Sylvain Engilberge#, Tristan Wagner#, Philippe Carpentier, Eric Girard, Seigo Shima: Krypton-derivatization highlights O2-channeling in a four-electron reducing oxidase. Chemical Communication, September 2020
DOI: 10.1039/d0cc04557h
# Die beiden Autoren haben gleichberechtigt zum Paper beigetragen
Kontakt
Gruppenleiter
MPI für Marine Mikrobiologie
Celsiusstr. 1
D-28359 Bremen
|
Telefon: |
