Met een aandeel tot tien procent, ethaan is het op één na meest voorkomende bestanddeel van aardgas en is aanwezig in diepgewortelde gasvoorraden op het land en in de zee over de hele wereld. Tot nu toe, het was onduidelijk hoe ethaan wordt afgebroken in afwezigheid van zuurstof. Een team van onderzoekers van het Helmholtz Center for Environmental Research (UFZ) heeft dit mysterie opgelost, na meer dan vijftien jaar onderzoekswerk in samenwerking met collega's van het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie in Bremen. In een microbiële cultuur verkregen uit sedimentmonsters uit de Golf van Mexico, de wetenschappers hebben een archaeon ontdekt dat ethaan oxideert. Het eencellige organisme is Candidatus Argoarchaeum ethanivorans genoemd, wat letterlijk 'langzaam groeiende ethaaneter' betekent. In een artikel dat nu in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur , de onderzoekers beschrijven de metabole route van ethaanafbraak.

De onderzoekers moesten veel geduld tonen bij het oplossen van het mysterie van de anaërobe afbraak van verzadigde koolwaterstoffen. In 2002, UFZ-microbioloog dr. Florin Musat, die op dat moment onderzoek deed aan het in Bremen gevestigde Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie, ontving een sedimentmonster afkomstig uit de Golf van Mexico. Het monster was verzameld uit aardgassijpelingen op een waterdiepte van meer dan 500 meter. Het kostte meer dan tien jaar cultivatie-inspanning om voldoende hoeveelheden van de cultuur met het archaeon te verkrijgen - als basis voor gedetailleerde experimenten om de structuur en het metabolisme van de microbiële gemeenschap te ontcijferen. Tijdens zijn regelmatige metingen, Florin Musat erkende dat oxidatie van ethaan gepaard ging met reductie van sulfaat tot waterstofsulfide. "Al heel lang we dachten dat de anaërobe afbraak van ethaan door bacteriën werd uitgevoerd op dezelfde manier als de afbraak van butaan of propaan, maar we waren niet in staat om metabolische producten te identificeren die typisch zijn voor een bacterieel oxidatiemechanisme, " zegt Musat.

Om de geheimen van ethaanoxidatie te ontrafelen, Musat, die sinds 2014 bij het UFZ werkt, benutte de mogelijkheden van het ProVIS technologieplatform. Het Centrum voor Chemische Microscopie (ProVIS) combineert een groot aantal grote apparaten, waardoor efficiënt, snelle en gevoelige chemische analyses van biologische monsters, structuren en oppervlakken op nanometerschaal. Bijvoorbeeld, Musat's team gebruikte fluorescentiemicroscopie om aan te tonen dat Candidatus Argoarchaeum ethanivorans het dominante aandeel van de cultuur vormt met ongeveer 65 procent van het totale aantal cellen, terwijl twee sulfaatreducerende Deltaproteobacteriën ongeveer 30 procent uitmaken. De metabolieten en eiwitten werden gekarakteriseerd door hoge resolutie massaspectrometrie technieken en de chemische samenstelling en de ruimtelijke organisatie van individuele micro-organismen werden bepaald door Helium-ion-microscopie en NanoSIMS. Met behulp van deze methoden, de onderzoekers toonden aan dat de archaeon verantwoordelijk is voor de oxidatie van ethaan tot koolstofdioxide, en de bijbehorende bacteriën voor het reduceren van sulfaat tot sulfide.

Verder, ze merkten op dat Candidatus Argoarchaeum ethanivorans geen aggregaten vormt met de partnerbacteriën tijdens de oxidatie van ethaan, in tegenstelling tot culturen die methaan afbreken, propaan of butaan. "De archaeon en de twee soorten bacteriën groeien meestal als vrije cellen. Intercellulaire verbindingen door nanodraden die de overdracht van elektronen zouden bemiddelen, zoals blijkt uit andere culturen, ontbreken, " zegt Musat. Om deze reden, een spannende vraag blijft:hoe gaan Argoarchaeum en de bacteriën met elkaar om? Uit metagenoomanalyses bleek dat de archaeon geen bekende genen voor sulfaatreductie bezit. Dit betekent dat de elektronen van de ethaanoxidatie moeten worden overgedragen aan de sulfaatreducerende bacteriën. Onderzoeken uitgevoerd door NanoSIMS suggereerden dat deze overdracht mogelijk zou kunnen plaatsvinden via zwavelverbindingen. "De archaea halen energie uit de oxidatie van ethaan in een duidelijk complexe syntrofie (gemeenschap van kruisvoeders) met hun sulfaatreducerende partners, " zegt Musat.

In hun zoektocht naar het mechanisme van elektronenoverdracht, Musat's team onderzocht de cultuur met behulp van een helium-ion-microscoop. Deze analyse leidde tot een onverwachte bevinding:Candidatus Argoarchaeum vormt kleine cellulaire blaasjes, die in ongewone kleine clusters vast blijven zitten, wat aangeeft dat de archaea delen door te ontluiken.

Eindelijk, in het genoom van Candidatus Argoarchaeum ethanivorans, de wetenschappers identificeerden alle genen die nodig zijn voor een functioneel methyl-co-enzym M-reductase-achtig enzym, dat de eerste stap in de anaërobe afbraak van ethaan katalyseert. Met behulp van ultrahoge resolutie massaspectrometrie, ze waren ook in staat om het product van dit enzym te vinden, ethyl-co-enzym M. Verdere genoom- en proteoomanalyses identificeerden de genen en enzymen voor de volgende reacties, waardoor de volledige metabole route wordt ontcijferd.

Daten, onderzoek naar anaërobe oxidatie van ethaan is in de eerste plaats fundamenteel geweest. Maar nog een stap verder, de bevindingen van de onderzoekers kunnen ook bruikbaar zijn voor industriële toepassingen. "We zijn ons nu bewust van de mechanismen die ten grondslag liggen aan de afbraak van koolwaterstoffen met een korte keten door 'alkyl'-CoM-reductasen, en we nemen aan dat de omgekeerde reacties mogelijk zijn. Indien aangetoond, dit betekent biotechnologieën om koolwaterstoffen te produceren met behulp van deze of soortgelijke micro-organismen, ", zegt Musat. Dit zou het begin kunnen zijn van nieuwe biotechnologische toepassingen om synthetische brandstoffen te produceren, zoals het energierijke butaan, bijvoorbeeld. Butaan bevat meer energie per liter en kan veel gemakkelijker vloeibaar worden gemaakt dan methaan - een concept dat Florin Musat en zijn team in de gaten zullen houden voor toekomstig onderzoek.