Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy en de Ohio State University hebben een nieuwe microbiële route ontdekt die ethyleen produceert, een potentiële weg bieden voor de bioproductie van een gemeenschappelijk onderdeel van kunststoffen, lijmen, koelvloeistoffen en andere alledaagse producten.

De vondst, gepubliceerd in Wetenschap , werpt licht op een al lang bestaand mysterie over hoe ethyleen wordt geproduceerd in anaërobe, of zuurstofarm, bodems en wijst op mogelijke paden om schade aan gewassen door hoge niveaus van ethyleen te voorkomen. De studie schetst ook een voorheen onbekende manier waarop bacteriën methaan genereren, een krachtig broeikasgas.

Het onderzoeksteam ontdekte dat ethyleen en methaan bijproducten zijn van een bacterieel proces dat methionine maakt, een aminozuur dat nodig is voor de opbouw van eiwitten. Wanneer hun omgeving anaëroob en zwavelarm is, bacteriën worden gedwongen om zwavel op te vangen uit cellulaire afvalproducten, deze nieuwe weg in gang zetten.

"Sinds ongeveer een decennium onderzoekers hebben de biologische productie van ethyleen bestudeerd via een ander mechanisme dat optreedt in zuurstofrijke omgevingen, ", zei onderzoeker Justin North van de staat Ohio. "Er is een technische hindernis om dat proces op te schalen, aangezien ethyleen en zuurstof gemengd op industriële schaal explosief kunnen zijn. Deze nieuwe anaërobe route neemt die hindernis weg, maar er is nog werk aan de winkel om het op te schalen."

Het onderzoek begon in de staat Ohio, waar Robert Tabita een doorlopend onderzoek leidt naar koolstoffixatie en stikstof- en zwavelmetabolisme in fotosynthetische bacteriën. Als onderdeel van Tabita's team, North besloot de gassen te meten die worden verbruikt en uitgestoten door Rhodospirillum rubrum en andere microben in dezelfde familie toen ze uitgehongerd waren voor zwavel. Hij was verrast om ethyleen te ontdekken.

"We weten dat deze bacteriën waterstof produceren en koolstofdioxide verbruiken, ' zei North. 'Maar, ziedaar, ze maakten grote hoeveelheden ethyleengas. En wij dachten, goed, Dat is vreemd."

North en zijn collega's van Ohio State bestudeerden dit nieuwe metabolische proces met behulp van radioactieve verbindingen om de voorlopers en de productie van methionine en ethyleen in microben te volgen. Maar er was een ander type analytische biotechnologie nodig om de cruciale link te leggen tussen de route en de eiwitten die enzymen worden genoemd die deze aandrijven.

Tabita reikte naar Bob Hettich, die de Biologische Massaspectrometrie Groep bij ORNL leidt, voor een vergelijkende analyse van de verzameling eiwitten, proteomen genoemd, aanwezig in deze fotosynthetische bacteriën in twee verschillende scenario's:laagzwavelige, ethyleenproducerende omstandigheden en hoog zwavelgehalte, niet-ethyleenproducerende omstandigheden. De groep van Hettich heeft een geavanceerde benadering ontwikkeld voor het karakteriseren van de proteomen van microbiële systemen met behulp van massaspectrometrie, een techniek die nauwkeurig de massa's en fragmentatieroutes van verschillende moleculen meet en details geeft over structuur en samenstelling. Hettich en Weili Xiong, een ORNL postdoctoraal onderzoeker, identificeerde duizenden eiwitten uit de systemen met een laag en hoog zwavelgehalte en analyseerde hun vergelijkende abundanties om een ​​handvol eiwitten te lokaliseren voor verdere karakterisering.

"We vonden opvallende verschillen, " zei Hettich. De gegevens toonden een familie van stikstofase-achtige eiwitten die bijna 50 keer overvloediger waren in de laagzwavelige, ethyleenproducerende monsters. Sommige ijzer- en zwavelgerelateerde eiwitten namen ook in overvloed toe toen zwavel schaars was, wijzend op een mogelijke nieuwe route voor het zwavelmetabolisme.

Deze gegevens waren verrassend omdat stikstofase-achtige eiwitten zijn gegroepeerd in genannotaties met stikstofasen die vergelijkbare DNA-sequenties hebben en waarvan bekend is dat ze atmosferische stikstof omzetten in ammoniak. Dit stikstofbindingsproces is essentieel voor het leven op aarde en is uitgebreid bestudeerd. Gezien hun naam, deze stikstofase-achtige eiwitten zijn niet die waarvan de wetenschappers hadden gedacht dat ze een rol spelen in het zwavelmetabolisme.

"Soms kan de naamgeving of annotatie van een gen of genfamilie misleidend zijn, " zei Hettich. "De naam suggereert een primaire functie. In feite, het gen kan een secundaire functie hebben, een nachtbaan om zo te zeggen, of het zou eigenlijk iets heel anders kunnen doen."

"Maar de gegevens zijn de gegevens, " vervolgde hij. "Als je de metingen correct uitvoert en op een agnostische manier waar je het antwoord niet weet... a priori , dan zullen de gegevens de echte verbindingen onthullen."

Met deze cruciale proteoomgegevens, Onderzoekers van de staat Ohio en collega's van de Colorado State University en het Pacific Northwest National Laboratory voerden een reeks experimenten uit waarbij het bacteriële genoom werd gemanipuleerd om het gencluster Rru_A0793-Rru_A0796 op te nemen of te verwijderen. De genverwijdering en -vervanging zette de ethyleenproductie uit en aan als een schakelaar, wat bevestigt dat de genen en het resulterende enzym waarvoor ze coderen essentieel zijn voor deze metabole route.

De stikstofase-achtige enzymen splitsen koolstof-zwavelbindingen om 2-(methylthio)ethanol te reduceren tot een voorloper voor het maken van methionine. Deze route produceert ethyleen als bijproduct. Het onderzoeksteam ontdekte dat als de bron van zwavel wordt veranderd in dimethylsulfide, de meest voorkomende vluchtige organische zwavelverbinding, bacteriën gebruiken het in hun methionineroute en produceren methaan als bijproduct.

Naast een potentieel biologisch middel om ethyleen te produceren voor gebruik in kunststoffen en andere industriële producten, deze bevindingen kunnen informatie geven over behandelingen voor gewassen in drassige, anaërobe bodems om schade door een overvloed aan ethyleen te voorkomen. In de juiste hoeveelheden, ethyleen is een belangrijk plantenhormoon dat planten helpt groeien, bladeren en wortels ontwikkelen en vruchten laten rijpen. Deze studie roept tal van nieuwe wetenschappelijke vragen op, inclusief of deze route betrokken is bij interacties tussen planten en microben.

"Het is heel opwindend dat deze ontdekking leidt tot nieuwe onderzoekslijnen die mogelijk ook een substantieel voordeel hebben voor landbouw- en andere gewassen, ' zei Noord.