Med en andel på upp till tio procent, Etan är den näst vanligaste komponenten i naturgas och finns i djupt liggande land- och havsgasfyndigheter runt om i världen. Tills nu, det var oklart hur etan bryts ned i frånvaro av syre. Ett team av forskare från Helmholtz Center for Environmental Research (UFZ) har löst detta mysterium, efter mer än femton års forskningsarbete i samarbete med kollegor från Max Planck-institutet för marin mikrobiologi i Bremen. I en mikrobiell kultur erhållen från Mexikanska golfens sedimentprover, forskarna har upptäckt en arkeon som oxiderar etan. Den encelliga organismen har fått namnet Candidatus Argoarchaeum ethanivorans, vilket bokstavligen betyder 'långsamt växande etanätare'. I en artikel som nu publicerats i tidskriften Natur , forskarna beskriver den metaboliska vägen för etannedbrytning.

Forskarna var tvungna att visa ett stort tålamod med att lösa mysteriet med anaerob nedbrytning av mättade kolväten. År 2002, UFZ mikrobiolog Dr Florin Musat, som vid den tiden bedrev forskning vid Bremen-baserade Max Planck Institute for Marine Microbiology, fick ett sedimentprov med ursprung i Mexikanska golfen. Provet hade samlats in från naturgasläckor på ett vattendjup av mer än 500 meter. Det tog över tio års odlingsarbete att få fram tillräckliga mängder av kulturen som innehåller arkeonen – som grund för detaljerade experiment för att avkoda strukturen och metabolismen i det mikrobiella samhället. Under sina regelbundna mätningar, Florin Musat insåg att oxidation av etan var kopplad till reduktion av sulfat till vätesulfid. "Under ganska lång tid, vi trodde att den anaeroba nedbrytningen av etan utfördes av bakterier på ett liknande sätt som nedbrytningen av butan eller propan, men vi kunde inte identifiera metabola produkter som är typiska för en bakteriell oxidationsmekanism, säger Musat.

För att avslöja hemligheterna bakom etanoxidation, Musat, som har arbetat på UFZ sedan 2014, utnyttjade de möjligheter som ProVIS teknologiplattform erbjuder. Centrum för kemisk mikroskopi (ProVIS) kombinerar ett stort antal stora apparater, möjliggör effektiv, snabba och känsliga kemiska analyser av biologiska prover, strukturer och ytor i nanometerskala. Till exempel, Musats team använde fluorescensmikroskopi för att visa att Candidatus Argoarchaeum ethanivorans utgör den dominerande andelen av kulturen på cirka 65 procent av det totala cellantalet, medan två sulfatreducerande Deltaproteobakterier utgör cirka 30 procent. Metaboliterna och proteinerna karakteriserades av högupplösta masspektrometritekniker och den kemiska sammansättningen och den rumsliga organisationen av enskilda mikroorganismer bestämdes med Helium-jon-mikroskopi och NanoSIMS. Genom att använda dessa metoder, forskarna visade att arkeonen är ansvarig för oxidationen av etan till koldioxid, och de åtföljande bakterierna för att reducera sulfat till sulfid.

Vidare, de observerade att Candidatus Argoarchaeum ethanivorans inte bildar aggregat med partnerbakterierna under oxidation av etan, i motsats till kulturer som nedbryter metan, propan eller butan. "Arkeonen och de två typerna av bakterier växer mestadels som fria celler. Intercellulära förbindelser med nanotrådar som skulle förmedla överföringen av elektroner, som visas med andra kulturer, saknas, " säger Musat. Av denna anledning, en spännande fråga kvarstår:hur interagerar Argoarchaeum och bakterierna med varandra? Metagenomanalyser visade att arkeonen inte har kända gener för sulfatreduktion. Det innebär att elektronerna från etanoxidation måste överföras till de sulfatreducerande bakterierna. Undersökningar utförda av NanoSIMS antydde att denna överföring potentiellt skulle kunna ske genom svavelföreningar. "Arkaea får energi från oxidationen av etan i en uppenbart komplex syntrofi (gemenskap av korsmatare) med sina sulfatreducerande partners, säger Musat.

I deras jakt på mekanismen för elektronöverföring, Musats team undersökte kulturen med hjälp av ett helium-jon-mikroskop. Denna analys ledde till ett oväntat fynd:Candidatus Argoarchaeum bildar små cellulära vesiklar, som förblir fästa i ovanliga små kluster, indikerar att arkéerna delar sig genom knoppning.

Till sist, i genomet av Candidatus Argoarchaeum ethanivorans, forskarna identifierade alla gener som behövs för ett funktionellt metyl-koenzym M-reduktas-liknande enzym, som katalyserar det första steget i den anaeroba nedbrytningen av etan. Med hjälp av masspektrometri med ultrahög upplösning, de kunde också hitta produkten av detta enzym, etyl-koenzym M. Ytterligare genom- och proteomanalyser identifierade generna och enzymerna för följande reaktioner, sålunda dechiffrera den fullständiga metaboliska vägen.

Hittills, forskning om anaerob oxidation av etan har i första hand varit grundläggande. Men att ta ett steg längre, forskarnas resultat kan också vara till nytta för industriella tillämpningar. "Vi är nu medvetna om mekanismerna bakom nedbrytningen av kortkedjiga kolväten av 'alkyl'-CoM-reduktaser, och vi antar att de omvända reaktionerna kan vara genomförbara. Om det visas, detta betyder bioteknik för att producera kolväten med användning av dessa eller liknande mikroorganismer, " säger Musat. Detta kan markera början på nya biotekniska tillämpningar för att producera syntetiska bränslen, som den energirika butanen, till exempel. Butan innehåller mer energi per liter och kan mycket lättare göras flytande än metan – ett koncept som Florin Musat och hans team kommer att hålla ett öga på för framtida forskning.