Eine Mikrobe, die Stickstoff aufbricht während sie Methan bildet

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.

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.“

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.

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.“

Nevena Maslać, Chandni Sidhu, Hanno Teeling, Tristan Wagner (2022): Comparative transcriptomics sheds light on the remodeling of gene expression during diazotrophy in the thermophilic methanogen Methanothermococcus thermolithotrophicus. mBio. LINK: https://doi.org/10.1128/mbio.02443-22