Wissenschaftler der University of California in Berkeley und der School of Medicine der University of Maryland haben in einer heißen Quelle in Nevada eine Mikrobe gefunden, die bei Temperaturen nahe dem Siedepunkt von Wasser vergnügt Pflanzenmaterial – Zellulose – frisst.
Tatsächlich ist das Zellulosezersetzende Enzym der Mikrobe, Zellulase genant, am aktivsten bei einer Rekordtemperatur von 109 Grad Celsius, was deutlich höher als die Siedetemperatur von Wasser (100°C) ist.
Diese so genannte hyperthermophile Mikrobe wurde in einer 95 Grad Celsius heißen geothermalen Quelle entdeckt und ist erst das zweite Mitglied der alten Gruppe Archaea, die durch die Zersetzung von Zellulose bei über 80 Grad Celsius wächst. Und die Zellulase der Mikrobe ist das hitzetoleranteste Enzym, das jemals in Zellulosezersetzenden Mikroben gefunden wurde, Bakterien eingeschlossen.
„Es sind die thermophilsten Archaea, die sich von Zellulose ernähren und die thermophilste Zellulase von allen Organismen“, sagte Co-Autor Douglas S. Clark, Professor für chemisches und biomolekulares Ingenieurswesen an der UC Berkeley. „Wir waren überrascht, es in unserer ersten Probe zu finden.“
Clark und seine Mitarbeiter an der UC Berkeley arbeiten mit Kollegen von der School of Medicine der University of Maryland zusammen, deren Team von Frank T. Robb geleitet wird. Sie analysierten Mikroben, die aus heißen Quellen und anderen extremen Umgebungen in den Vereinigten Staaten stammten, um neue Enzyme zu suchen, die in extremen industriellen Prozessen verwendet werden können, beispielsweise der Produktion von Biokraftstoffen aus schwer zu zersetzenden Pflanzenfasern. Das Team wird vom Energy Biosciences Institute (EBI), einem öffentlich-privaten Gemeinschaftsprojekt, finanziell unterstützt, an dem auch die UC Berkeley beteiligt ist, wo Biowissenschaften und biologische Technologien bei der Bewältigung der globalen Energie Herausforderungen helfen.
„Unsere Hoffnung ist, dass dieses Beispiel und Beispiele anderer Organismen, die in extremen Umgebungen – wie hohen Temperaturen, hochgradig alkalische oder saure, sowie stark salzige Umgebungen – Zellulasen bereitstellen können, die eine bessere Funktion unter den für Industrieanwendungen typischen Bedingungen gewährleisten, etwa bei der Produktion von Biokraftstoffen“, sagte Clark.
Clark, Robb und ihre Kollegen, darunter Professor Harvey W. Blanch und die Postdoktorandin Melinda E. Clark von der UC Berkeley und der Postdoktorand Joel E. Graham von der University of Maryland, veröffentlichten ihre Ergebnisse am 5. Juli im Online Journal Nature Communications.
Viele industrielle Prozesse nutzen natürliche Enzyme. Einige davon wurden aus Organismen isoliert, die in extremen Umgebungen wie heißen Quellen leben. Das Enzym, welches in der beliebten Polymerase-Kettenreaktion zur Vervielfältigung der DNA benutzt wird, stammte ursprünglich aus einem thermophilen Organismus, der in einem Geysir im Yellowstone National Park gefunden wurde.
Aber viele dieser Enzyme seien nicht für industrielle Prozesse optimiert, sagte Clark. Zum Beispiel wird ein Pilzenzym derzeit dazu verwendet, Pflanzenzellulose in ihre Zuckerbestandteile aufzulösen, sodass die Zuckerarten von Hefe in Alkohol vergärt werden können. Aber die bevorzugte Temperatur des Enzyms liegt um die 50 Grad Celsius und es ist nicht stabil unter den erstrebenswerten höheren Temperaturen, die andere Mikroben von der Kontaminierung der Reaktion abhalten sollen.
Deswegen die Notwendigkeit, in extremen Umgebungen nach besseren Enzymen zu suchen, sagte er.
„Diese Entdeckung ist interessant, weil sie dabei hilft, den Bereich natürlicher Bedingungen zu definieren, unter denen zellolytische Organismen existieren und zeigt, wie verbreitet sie in ihrer natürlichen Umgebung sind“, sagte Clark. „Sie deutet darauf hin, dass es eine Menge potenziell nützlicher Zellulasen an Orten gibt, die wir noch nicht untersucht haben.“
Robb und seine Kollegen sammelten Sediment- und Wasserproben aus den 95 Grad Celsius heißen Great Boiling Springs in der Nähe von Gerlach im Norden Nevadas und kultivierten Mikroben auf pulverisiertem Miscanthus gigas, einem häufigen Rohmaterial für Biokraftstoff. Dann isolierten sie jene, die mit Pflanzenfasern als einzige Kohlenstoffquelle wachsen konnten.
Nach weiterem Wachstum auf mikrokristalliner Zellulose arbeiteten die Labore der UC Berkeley und der University of Maryland zusammen, um die Gemeinschaft der überlebenden Mikroben zu sequenzieren und Metagenome zu erhalten, aus denen man schließen konnte, dass drei verschiedene Archaea Spezies in der Lage waren, Zellulose als Nahrung zu benutzen. Unter Verwendung von Gentechnologien lasen sie die spezifischen Gene, die an der Zersetzung von Zellulose beteiligt sind, und verbanden die aktivste Hochtemperatur.Zellulase, EBI-244, mit der häufigsten der drei Archaea Spezies.
Basierend auf der Struktur des Enzyms, „könnte dies einen neuen Typ von Zellulase oder ein sehr ungewöhnliches Mitglied einer bereits bekannten Familie repräsentieren“, sagte Clark.
Das Enzym ist so stabil, dass es in heißen Lösungen arbeitet, die den Bedingungen nahekommen, welche zur Vorbehandlung von Rohmaterialien wie Miscanthus benutzt werden könnten, um die Lignozellulose aufzuspalten und die Zellulose freizusetzen. Das spricht dafür, dass Zellulasen eines Tages in demselben Reaktionsgefäß verwendet werden könnten, in dem auch die Vorbehandlung der Rohmaterialien stattfindet.
Die neu entdeckte hyperthermophile Zellulase könne unter Temperaturen arbeiten, die für einige Prozesse zu hoch seien, sagte Clark. Durch die Sammlung weiterer hyperthermophiler Zellulasen könnten Proteinforscher in der Lage sein, eine Version des Enzyms zu kreieren, die auf die Arbeit unter niedrigeren Temperaturen optimiert ist, aber die stabile Struktur der wilden Mikrobe besitzt.
„Wir finden vielleicht sogar eine Zellulase, die unverändert benutzt werden könnte“, sagte er, „aber zumindest wird sie uns Informationen über die Herstellung neuer Zellulasen liefern und ein besseres Verständnis der Vielfalt in der Natur ermöglichen.“
Weitere Autoren der Studie in Nature Communications sind Dana C. Nadler, Sarah Huffer, Harshal A. Chokhawala und Harvey W. Blanch von der UC Berkeley und Sara E. Rowland vom Marine Estuarine and Environmental Sciences Programm der University of Maryland.
Die EBI Partnerschaft, die während der nächsten zehn Jahre vom Unternehmen BP mit 500 Millionen Dollar finanziell unterstützt wird, umfasst Wissenschaftler von der UC Berkeley, der University of Illinois in Urbana-Champaign und des Lawrence Berkeley National Laboratory.
(THK)
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