Untersuchung zeigt: Alle Lebewesen bilden Methan

Alle Lebewesen bilden Methan in einem chemischen Prozess unter Beteiligung freier Radikale (Illu.). Copyright: Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie/Ernst
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Alle Lebewesen bilden Methan in einem chemischen Prozess unter Beteiligung freier Radikale (Illu.). Copyright: Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie/Ernst

Alle Lebewesen bilden Methan in einem chemischen Prozess unter Beteiligung freier Radikale (Illu.).
Copyright: Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie/Ernst

Maarbrug (Deutschland) – Dass das Treibhausgas Methan von Mikroorganismen erzeugt wird, wie sie sich unter anderem in Mägen von Rindern oder in Reisfeldern gedeihen. In jüngster Zeit beobachteten Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen seine Entstehung aber auch Pflanzen und Pilzen, ohne eine Erklärung dafür zu finden. Jetzt haben Forschende herausgefunden, dass tatsächlich alle bekannten Organismen Methan freisetzen und den zu Grunde liegenden Mechanismus aufgeklärt. Die Erkenntnisse dürften auch aus astrobiologischer Sicht interessant sein.

Wie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Leonard Ernst, Professor Frank Keppler von der Universität Heidelberg und Ilka Bischofs vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie aktuell im Fachjournal „Nature“ (DOI: 10.1038/s41586-022-04511-9) berichten, widersprechen die aktuellen Ergebnisse den bisherigen Vorstellungen, wonach Methan nur durch bestimmte Mikroorganismen bei der Zersetzung organischer Substanz unter Ausschluss von Sauerstoff (anaerob) entstehe.

Tatsächlich finde aber diese durch reaktive Sauerstoffverbindungen (ROS) ausgelöste Methanbildung höchstwahrscheinlich in allen Organismen statt. Grundlage der Studie und des darin erbrachten Nachweises der ROS-getriebene Bildung von Methan war die Analyse von über 30 Modellorganismen, von Bakterien und Archaeen über Hefen, Pflanzenzellen bis hin zu menschlichen Zelllinien.

Hintergrund
Methan ist ein starkes Treibhausgas, und die Erforschung seiner natürlichen und anthropogenen biogeochemischen Quellen und Senken ist von enormem Interesse. Aufgrund der Tatsache, dass der überwiegende Großteil des atmosphärischen Methans in der Erdatmosphäre biologischen Ursprungs ist, gilt Methan in der Astrobiologie auch als potenzieller Biomarker. Tatsächlich wurde Methan und Methanausbrüche auch bereits auf dem Mars detektiert, und gilt seither als möglicher Hinweise auf dortige mikrobische Aktivitäten. Allerdings kann Methan auch auf geologischem Wege, also ohne Beteiligung vn Leben entstehen, weswegen sich viele Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen noch uneins über die Bewertung des Mars-Methans sind. Weitere GreWi-Meldungen zum Mars-Methan finden Sie HIER

Bereits vor 16 Jahren entdeckten Max-Planck-Forscher erstmals, dass auch Pflanzen in Gegenwart von Sauerstoff (aerob) Methan freisetzten. Die Ergebnisse wurden zunächst angezweifelt, da die Methanbildung mit dem damaligen Wissen über Pflanzen nicht zu erklären war. Als man feststellte, dass auch Pilze, Algen und Cyanobakterien (früher „Blaualgen“) unter aeroben Bedingungen Methan bildeten, vermutete man enzymatische Aktivitäten als Ursache. Jedoch wurde in keinem der Organismen ein entsprechendes Enzym entdeckt. „Diese Studie ist daher ein Meilenstein in unserem Verständnis der aeroben Methanbildung in der Umwelt“, sagt Prof. Frank Keppler. „Der universelle Mechanismus erklärt auch die früheren Beobachtungen zur Freisetzung von Methan aus Pflanzen.“

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Anhand des Bakteriums Bacillus subtilis können die Forschenden nun zeigen, dass ein enger Zusammenhang zwischen der Stoffwechselaktivität und dem Ausmaß der Methanbildung besteht: „Stoffwechselaktivität, insbesondere unter Sauerstoffeinfluss, führt in allen Zellen zur Bildung sogenannter reaktiver Sauerstoffverbindungen (ROS), zu denen auch Wasserstoffperoxid und Hydroxyl-Radikale gehören. In Zusammenspiel mit Eisen, einem essentiellen Element, findet deshalb in sämtlichen Organismen die sogenannte Fenton-Reaktion statt – eine Reaktion von reduziertem Eisen mit Wasserstoffperoxid. Sie führt zur Bildung von hochreaktiven vierwertigen Eisen-Verbindungen und Hydroxyl-Radikalen. Diese Moleküle treiben die Abspaltung eines Methylradikals von methylierten Schwefel- und Stickstoffverbindungen voran, z. B. aus der Aminosäure Methionin. Durch die anschließende Reaktion des Methylradikals mit einem Wasserstoffatom entsteht schließlich Methan. Die Reaktion kann unter normalen physiologischen Bedingungen im Reagenzglas ablaufen und wird durch Biomoleküle wie ATP und NADH, die mit Stoffwechselaktivität einhergehen, erheblich verstärkt.“

Schaubild zur ROS-getriebenen Methanbildung in Zellen. Copyright: Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie/Ernst

Schaubild zur ROS-getriebenen Methanbildung in Zellen.
Copyright: Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie/Ernst

Auch zusätzlicher oxidativer Stress, ausgelöst durch physikalische und chemische Faktoren, z.B. höhere Umgebungstemperaturen oder die Zugabe von ROS-bildenden Substanzen, steigere die Methanproduktion in den untersuchten Organismen. „Andererseits konnte sie durch die Zugabe von Antioxidantien und das Abfangen freier Radikale reduziert werden – ein Zusammenspiel, das vermutlich die Methanbildung in Organismen steuert. Die Studie erklärt daher auch, warum die Methanfreisetzungen innerhalb eines Organismus um mehrere Größenordnungen variieren können und besonders von Stressfaktoren abhängen. „

Die sich im Rahmen des Klimawandels ändernden Umwelt- und Temperaturbedingungen könnten möglicherweise das Stressniveau vieler Lebewesen und damit deren atmosphärischen Methanemissionen beeinflussen. Umgekehrt könnten Schwankungen im Methangehalt der Atemluft auf alters- oder stressbedingte Veränderungen des zellulären Stoffwechsels hinweisen, schreiben die Autoren und Autorinnen abschließend.




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Reherchequelle: Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie

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