Naukowcy z Montana State University odkryli w Yellowstone nowe drobnoustroje wytwarzające metan. Ten przełom poszerza naszą wiedzę na temat życia w ekstremalnych warunkach i oferuje nowe możliwości łagodzenia zmiany klimatu. Źródło: Roland Hatzenpichler
Naukowcy z Montana State University odkryli w Parku Narodowym Yellowstone dwie nowe grupy drobnoustrojów wytwarzających metan, ujawniając potencjalnie nowe podejścia do łagodzenia zmiany klimatu i wgląd w życie pozaziemskie.
Naukowcy z Montana State University przedstawili pierwszy dowód eksperymentalny na to, że dwie nowo odkryte grupy drobnoustrojów w obszarach termicznych Parku Narodowego Yellowstone wytwarzają metan. To przełomowe odkrycie może pewnego dnia pomóc w opracowaniu metod łagodzenia zmian klimatycznych i zapewnić wgląd w potencjalne życie w innych częściach naszego Układu Słonecznego.
Dziennik Natura opublikował wyniki badań z laboratorium Rolanda Hatzenpichlera, profesora nadzwyczajnego na Wydziale Chemii i Biochemii MSU w College of Letters and Science oraz zastępcy dyrektora uniwersyteckiego Instytutu Biologii Termicznej. Obydwa artykuły naukowe opisują weryfikację pierwszych znanych przykładów organizmów jednokomórkowych wytwarzających metan poza linią Euryarchaeota, która jest częścią większej gałęzi drzewa życia zwanej Archaea.
Alison Harmon, wiceprezes MSU ds. badań i rozwoju gospodarczego, stwierdziła, że jest podekscytowana faktem, że odkryciom o tak dalekosiężnym potencjalnym wpływie poświęca się uwagę, na jaką zasługują.
„To znaczące osiągnięcie Uniwersytetu Stanowego w Montanie, że opublikowano nie jeden, ale dwa artykuły w jednym z wiodących czasopism naukowych na świecie” – powiedział Harmon.
Organizmy jednokomórkowe wytwarzające metan nazywane są metanogenami. Podczas gdy ludzie i inne zwierzęta jedzą żywność, oddychają tlenem i wydychają dwutlenek węgla, aby przeżyć, metanogeny zjadają małe cząsteczki, takie jak dwutlenek węgla lub metanol, i wydychają metan. Większość metanogenów to ścisłe beztlenowce, co oznacza, że nie mogą przetrwać w obecności tlenu.
Naukowcy wiedzieli od lat trzydziestych XX wieku, że wiele organizmów beztlenowych występujących w archeonach to metanogeny, i przez dziesięciolecia wierzyli, że wszystkie metanogeny należą do jednego typu: Euryarchaeota.
Jednak około 10 lat temu zaczęto odkrywać drobnoustroje posiadające geny odpowiedzialne za metanogenezę u innych typów, w tym u jednego zwanego Thermoproteota. Typ ten zawiera dwie grupy drobnoustrojów zwane Methanomethylicia i Metanodesulfokora.
„Wszystko, co wiedzieliśmy o tych organizmach, pochodziło z ich organizmów DNA– powiedział Hatzenpichler. „Nikt nigdy nie widział komórki zawierającej te rzekome metanogeny; nikt nie wiedział, czy rzeczywiście wykorzystali swoje geny metanogenezy, czy też rozwijali się w jakiś inny sposób.
Potwierdzenie eksperymentalne i produkcja metanu
Hatzenpichler i jego badacze postanowili sprawdzić, czy organizmy żyją na drodze metanogenezy, opierając swoje badania na wyniki badania opublikowany w zeszłym roku przez jednego z jego byłych absolwentów MSU, Mackenzie Lynes.
Próbki pobrano z osadów w gorących źródłach Parku Narodowego Yellowstone, których temperatura wahała się od 141 do 161 stopni Fahrenheita (61–72 stopnie Celsjusz).
Dzięki temu, co Hatzenpichler określił jako „żmudną pracę”, doktorant MSU Anthony Kohtz i badaczka ze stopniem doktora Viola Krukenberg wyhodowali w laboratorium drobnoustroje Yellowstone. Mikroby nie tylko przetrwały, ale także rozwijały się i wytwarzały metan. Następnie zespół pracował nad scharakteryzowaniem biologii nowych drobnoustrojów, angażując naukowca Zackary’ego Jaya i inne osoby z ETH Zurich.
W tym samym czasie grupa badawcza kierowana przez Lei Chenga z Chińskiego Instytutu Biogazu Ministerstwa Rolnictwa i Spraw Wsi oraz Dianę Sousa z Uniwersytetu w Wageningen w Holandii z powodzeniem wyhodowała kolejny z tych nowatorskich metanogenów, nad czym pracowali przez sześć lat. lata.
„Do czasu naszych badań nie prowadzono żadnych badań eksperymentalnych na tych drobnoustrojach poza sekwencjonowaniem DNA” – powiedział Hatzenpichler.
Powiedział, że Cheng i Sousa zaproponowali wspólne przesłanie badań do publikacji, i Papier Chenga raport o izolacji innego członka Methanomethylicia został opublikowany wspólnie z dwoma badaniami laboratoryjnymi Hatzenpichlera.
Choć jedną z nowo zidentyfikowanych grup metanogenów, Metanodesulfokorawydaje się ograniczać do gorących źródeł i głębinowych kominów hydrotermalnych, Metanometylicja, są powszechne, powiedział Hatzenpichler. Czasami można je znaleźć w oczyszczalniach ścieków i przewodzie pokarmowym przeżuwaczy, a także w osadach morskich, glebie i terenach podmokłych. Hatzenpichler stwierdził, że to istotne, ponieważ według amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska metanogeny wytwarzają 70% światowego metanu – gazu 28 razy skuteczniej niż dwutlenek węgla w zatrzymywaniu ciepła w atmosferze.
„Poziom metanu rośnie w znacznie szybszym tempie niż dwutlenku węgla, a ludzie pompują metan do atmosfery z większą szybkością niż kiedykolwiek wcześniej” – powiedział.
Hatzenpichler powiedział, że chociaż eksperymenty odpowiedziały na ważne pytanie, wygenerowały wiele innych, które będą stanowić siłę napędową przyszłych prac. Na przykład naukowcy nie wiedzą jeszcze, czy metanometylicja żyjąca w środowiskach innych niż ekstremalne opiera się na metanogenezie, czy też rośnie w inny sposób.
„Moim najlepszym założeniem jest to, że czasami rosną, wytwarzając metan, a czasami robią coś zupełnie innego, ale nie wiemy, kiedy rosną, jak i dlaczego” – powiedział Hatzenpichler. „Teraz musimy dowiedzieć się, kiedy przyczyniają się one do obiegu metanu, a kiedy nie”.
Podczas gdy większość metanogenów w Euryarchaeota wykorzystuje CO2 lub octan do wytwarzania metanu, Methanomethylicia i Methanodesulfokora wykorzystują związki takie jak metanol. Ta właściwość może pomóc naukowcom w nauczeniu się, jak zmieniać warunki w różnych środowiskach, w których występują, tak aby do atmosfery emitowano mniej metanu, powiedział Hatzenpichler.
Przyszłe kierunki badań i unikalne cechy metanogenów
Jego laboratorium rozpocznie jesienią tego roku współpracę z farmą badawczo-dydaktyczną Bozeman na MSU, która dostarczy próbki do dalszych badań nad metanogenami występującymi u bydła. Ponadto nowi absolwenci, którzy jesienią dołączą do laboratorium Hatzenpichlera, ustalą, czy nowo odkryte archeony wytwarzają metan w ściekach, glebie i terenach podmokłych.
Hatzenpichler powiedział, że metanometylicia również mają fascynującą architekturę komórkową. Współpracował z dwoma naukowcami z ETH Zurich, Martinem Pilhoferem i doktorantem Nickolaiem Petrosianem, aby wykazać, że drobnoustrój tworzy nieznane wcześniej rurki komórka-komórka, które łączą ze sobą dwie lub trzy komórki.
„Nie mamy pojęcia, dlaczego je tworzą. Struktury takie rzadko obserwowano u drobnoustrojów. Może wymieniają DNA; może wymieniają chemikalia. Jeszcze nie wiemy” – powiedział Hatzenpichler.
Nowo opublikowane badania zostały sfinansowane przez firmę NASAprogram egzobiologii. NASA interesuje się metanogenami, ponieważ mogą one dać wgląd w życie na Ziemi ponad 3 miliardy lat temu oraz potencjał życia na innych planetach i księżycach, na których wykryto metan, powiedział.
Odniesienie: „Uprawa i wizualizacja metanogenu typu Thermoproteota” autorstwa Anthony’ego J. Kohtza, Nikolai Petrosian, Viola Krukenberg, Zackary J. Jay, Martin Pilhofer i Roland Hatzenpichler, 24 lipca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07631-6
Hatzenpichler omówił wyniki obu badań w: wykład on-line i na niedawnym Sprawy mikrobiologiczne podcast i wyprodukował ten infografika na temat obiegu metanu. Aby dowiedzieć się więcej o jego wizycie w laboratorium www.environmental-microbiology.com lub wyślij e-mail na adres [email protected].
