Den metanproducerende mikroorganisme Methanothermococcus thermolithotrophicus er naturligvis fremragende til at omdanne CO2 til biobrændstoffet metan. Nu har forskere fundet ud af, hvordan denne unikke organisme er i stand til at vokse på sulfat, hvilket andre metanproducerende mikrober ikke kan.
Svovl er en grundlæggende byggesten for alt liv og bruges i adskillige essentielle molekyler fra proteiner til vitaminer.
De fleste organismer får deres svovl fra sulfat, som de omdanner til sulfid, der kan benyttes til at opbygge det ene eller det andet biomolekyle.
Dette blev anset for ikke at være anvendeligt for mikroorganismer kaldet methanogener (metanproducerende), af mange særlige grunde, hvoraf den ene er den energi, der kræves for at omdanne sulfat til sulfid, samt produktionen af mellemliggende giftige molekyler.
Der findes dog en metanogen, Methanothermococcus thermolithotrophicus, der højst overraskende er i stand til at udnytte sulfat som eneste kilde til svovl.
M. thermolithotrophicus er samtidig interessant, fordi mikroorganismen som en metanogen kan producere metan, der kan bruges som brændstof til at opvarme boliger.
Det kan andre metanogener også, men de er afhængige af sulfid som kilde til svovl, og sulfid ikke bare stinker af rådne æg, det er også både dyrt, eksplosivt og giftigt at arbejde med. M. thermolithotrophicus kan derimod gøre det hele med kun sulfat som kilde til svovl, og denne egenskab rummer et enormt bioteknologisk potentiale.
I et nyt studie har forskere kortlagt, hvordan M. thermolithotrophicus gør det.
"I øjeblikket arbejder mange virksomheder på at bygge bioreaktorer med metanogener, der kan producere metan som biobrændstof ud af CO2. Det kan være en løsning på problemet med at skulle hente gas op fra undergrunden. Vi ønskede at finde ud af, hvordan biotransformationen fra sulfat til sulfid fungerer i en metanproducerende mikrobe," fortæller en af forskerne bag studiet, Tristan Wagner, Head, Microbial Metabolism Research Group, Max Planck Institute for Marine Biology, Bremen, Tyskland.
Forskningen er offentliggjort i Nature Microbiology.
Omdannelsen af sulfat producerer giftige stoffer
Metanogener producerer halvdelen af det metan, der frigives i atmosfæren. Metan er samtidig 28 gange mere potent som drivhusgas sammenlignet med CO2, men det er også interessant som biobrændstof.
Først fastslog forskerne, at mikroorganismen faktisk kan vokse på sulfat. Det gjorde forskerne ved at have dem i trykflasker uden adgang til anden form for svovl end sulfat, og her kunne de se, at både mikroberne voksede, og at sulfat forsvandt.
"Det er ekstremt interessant, fordi der i de kemiske reaktioner fra sulfat til sulfid bliver dannet giftige molekyler, der kan dræbe mikroorganismen. M. thermolithotrophicus kommer på en eller anden måde omkring dette problem," siger Tristan Wagner.
Fem enzymer er nødvendige for at omdanne sulfat til sulfid
I næste del af forskningen foretog forskerne en grundig undersøgelse af generne i M. thermolithotrophicus og identificerede fem gener, der koder for fem enzymer, der er involveret i omdannelsen af sulfat til sulfid.
Normalt ville forskere inden for området kortlægge ét enkelt af disse enzymer ad gangen, men i forskningsarbejdet kortlagde forskerne funktionen af dem alle sammen.
Tilsammen er enzymerne ansvarlige for, at M. thermolithotrophicus kan bruge sulfat som kilde til svovl, selvom andre metanogener ikke kan.
De to første enzymer var kendt i forvejen. Det drejer sig om enzymet ATP-sulfurylase, der fanger sulfat og danner stoffet APS ved hjælp af energimolekylet ATP. Det andet af de to kendte enzymer er enzymet APS-kinase, der kan omdanne APS til molekylet PAPS.
Det næste enzym i rækken er enzymet PAPS-reduktase, der omdanner PAPS til de to molekyler PAP og sulfit. Begge molekyler er meget giftige og skal hurtigst muligt omdannes til noget andet.
Tristan Wagner fortæller, at det var en stor overraskelse for forskerne at finde den nye PAPS-reduktase i M. thermolithotrophicus.
"Planter og andre mikrober bruger en anden PAPS-reduktase, der er forskellig fra den i M. thermolithotrophicus. Bakterienhar mest sandsynligt taget genet for en APS-reduktase fra en anden organisme og ændret det, så det kan reducere PAPS til PAP og sulfit. Det er ekstraordinært," forklarer han.
Fordi PAP og sulfit er så giftige, som de er, har M. thermolithotrophicus brug for yderligere to enzymer til at omdanne disse to stoffer til noget ikke-giftigt.
En PAP-fosfatase omdanner PAP til stoffet AMP, der genbruges i dannelsen af ATP, mens en sulfitreduktase omdanner sulfit til sulfid, som kan benyttes af M. thermolithotrophicus i opbygningen af nye biologiske molekyler.
Stort industrielt potentiale
Ifølge Tristan Wagner er opdagelsen af de enzymer, der gør M. thermolithotrophicus i stand til at vokse på sulfat, interessant af flere årsager.
Fra et videnskabeligt perspektiv vil han gerne vide, hvor generne, der koder for sulfatassimileringsvejen for M. thermolithotrophicus, kommer fra eller fra hvilke andre mikrober de stammer.
For det andet rummer opdagelsen også et bioteknologisk potentiale for at omdanne CO2 til metan, der kan benyttes som biobrændstof.
Med de nuværende produktionsmetoder til atlave metan ved hjælp af metanogener skal man bruge hydrogensulfid i processen, og det er man helst fri for.
Opdagelsen af de fem enzymer åbner dog op for, at forskere kan gensplejse metanogener, der allerede benyttes i gaskraftværker, ved at indsætte generne for de fem enzymer fra M. thermolithotrophicus i deres arvemateriale og dermed gøre det muligt for dem at omdanne sulfat til sulfid. Det vil både gøre processen billigere og skabe mere sikre betingelser i bioreaktorerne.
"Desuden er det interessant, at enzymerne er modstandsdygtige over for høje temperaturer, hvilket gør dem mere robuste, så de bør kunne fungere med tilstrækkelig effektivitet i de bioreaktorer, som man benytter i dag," siger Tristan Wagner."
