Forscher der University of California, Berkeley, haben einen Durchbruch in der Erforschung von Methanquellen erzielt, einem starken Treibhausgas, das maßgeblich zur globalen Erwärmung beiträgt. Durch den Einsatz der Genschere CRISPR konnten sie die Aktivität eines zentralen Enzyms in methanproduzierenden Mikroben manipulieren und so neue Erkenntnisse über die Isotopenzusammensetzung von Methan gewinnen. Diese Erkenntnisse könnten helfen, die Umweltquellen von Methan präziser zu identifizieren und ihren Beitrag zum globalen Methanhaushalt besser zu quantifizieren.
Methan wird zu etwa zwei Dritteln von Mikroben, sogenannten Methanogenen, produziert, die in sauerstofffreien Umgebungen wie Feuchtgebieten, Reisfeldern, Mülldeponien oder im Verdauungstrakt von Kühen gedeihen. Diese Mikroorganismen, die zum Archaeen-Zweig des Lebensbaums gehören, wandeln einfache Moleküle wie Acetat, Methanol oder Wasserstoff in Methan um. Die genaue Rückverfolgung dieser Methanemissionen zu ihren spezifischen Quellen war jedoch bisher schwierig, da die Isotopenverhältnisse von Kohlenstoff und Wasserstoff in Methan variieren und als „Fingerabdruck“ der jeweiligen Quelle dienen.
In der neuen Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Science, nutzte ein interdisziplinäres Team aus Molekularbiologen und Geochemikern CRISPR, um die Aktivität des Enzyms Methyl-Coenzym-M-Reduktase (MCR) in Methanogenen gezielt zu verändern. Dieses Enzym spielt eine Schlüsselrolle bei der Methanproduktion. Durch die Reduzierung der Enzymaktivität konnten die Forscher beobachten, wie Methanogene auf Veränderungen in ihrer Nahrungsversorgung reagieren und wie sich dies auf die Isotopenzusammensetzung des produzierten Methans auswirkt.
Die Ergebnisse zeigen, dass nicht nur die Art der „Nahrung“ der Mikroben – wie Acetat oder Methanol – die Isotopenverhältnisse bestimmt, sondern auch die Umweltbedingungen und die biochemischen Reaktionen der Mikroben selbst. Bei geringer Enzymaktivität verändern die Mikroben ihre Stoffwechselprozesse, was zu einer stärkeren Einbindung von Wasserstoff aus der Umgebung in das Methan führt. Dies verändert den isotopischen Fingerabdruck und deutet darauf hin, dass bisherige Annahmen über die Methanherkunft in der Umwelt möglicherweise überdacht werden müssen.
Die Studie hebt hervor, dass die Isotopenanalyse von Methan komplexer ist als bisher angenommen. Während Laborexperimente klare isotopische Unterschiede zwischen verschiedenen Methanquellen zeigen, sind die Verhältnisse in natürlichen Umgebungen oft variabler. Die neuen Erkenntnisse könnten dazu beitragen, die Unsicherheiten bei der Quantifizierung von Methanemissionen zu verringern, die bisher im zweistelligen Prozentbereich liegen.
Darüber hinaus eröffnet die Verwendung von CRISPR in Methanogenen neue Möglichkeiten für die Forschung. Die Technik könnte nicht nur helfen, die Rolle von Mikroben im globalen Kohlenstoffkreislauf besser zu verstehen, sondern auch Wege aufzeigen, Methanproduktion in Mikroben gezielt zu reduzieren. Dies könnte zukünftig dazu beitragen, Methanemissionen zu verringern oder die Energie der Mikroben auf die Produktion umweltfreundlicherer Stoffe umzulenken.
Die Studie wurde von der Europäischen Organisation für Molekularbiologie und der Alfred P. Sloan Foundation unterstützt. Die Ergebnisse könnten weitreichende Auswirkungen auf die Klimaforschung und die Entwicklung nachhaltiger Technologien haben, indem sie ein genaueres Verständnis der Methanquellen und ihrer Umweltwirkungen ermöglichen.
Credits:
Alienor Baskevitch/UC Berkeley
DOI
10.1126/science.adu2098
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