Forskare vid Department of Energy Oak Ridge National Laboratory och Ohio State University upptäckte en ny mikrobiell väg som producerar eten, tillhandahålla en möjlig väg för biotillverkning av en vanlig komponent i plast, lim, kylmedel och andra vardagsprodukter.

Upptäckten, publicerad i Vetenskap , belyser ett långvarigt mysterium om hur eten produceras i anaerob, eller syreberövad, jordar och pekar på potentiella vägar för att förhindra växtskador från höga halter av eten. Studien beskriver också ett tidigare okänt sätt på vilket bakterier genererar metan, en kraftfull växthusgas.

Forskargruppen fann att eten och metan är biprodukter av en bakteriell process som gör metionin, en aminosyra som är nödvändig för att bygga proteiner. När deras miljö är anaerob och svavelfattig, bakterier tvingas ta bort svavel från cellulära avfallsprodukter, utlöser denna nya väg.

"I ungefär ett decennium, forskare har studerat den biologiska produktionen av eten genom en annan mekanism som sker i syresatta miljöer, "sa Ohio State forskare Justin North." Det finns ett tekniskt hinder för att skala upp den processen eftersom eten och syre blandat i industriell skala kan vara explosivt. Denna nya anaeroba väg rensar detta hinder, men det finns fortfarande arbete att göra med att skala upp det. "

Forskningen började i Ohio State där Robert Tabita leder en pågående studie av kolfixering och kväve- och svavelmetabolism i fotosyntetiska bakterier. Som en del av Tabitas team, North bestämde sig för att mäta de gaser som förbrukas och släpps ut av Rhodospirillum rubrum och andra mikrober i samma familj när de svälts efter svavel. Han blev förvånad över att upptäcka eten.

"Vi vet att dessa bakterier producerar väte och konsumerar koldioxid, "North sa." Men, ser man på, de tillverkade stora mängder etylengas. Och vi tänkte, väl, det var konstigt."

North och hans Ohio State -kollegor studerade denna nya metaboliska process med hjälp av radioaktiva föreningar för att spåra prekursorerna och produktionen av metionin och eten i mikrober. Men en annan typ av analytisk bioteknik behövdes för att skapa den kritiska länken mellan vägen och proteinerna som kallas enzymer som driver den.

Tabita nådde fram till Bob Hettich, som leder gruppen Biological Mass Spectrometry på ORNL, för en jämförande analys av samlingen av proteiner, kallas proteomer, närvarande i dessa fotosyntetiska bakterier under två olika scenarier:svavelsvag, etenproducerande förhållanden och högsvavl, icke-etenproducerande förhållanden. Hettichs grupp har utvecklat ett banbrytande tillvägagångssätt för att karakterisera proteomerna i mikrobiella system med masspektrometri, en teknik som exakt mäter massor och fragmenteringsvägar för olika molekyler och ger detaljer om struktur och sammansättning. Hettich och Weili Xiong, en postdoktor vid ORNL, identifierade tusentals proteiner från låg- och högsvavelsystemen och analyserade deras jämförande överflöd för att hitta en handfull proteiner för ytterligare karakterisering.

"Vi fann slående skillnader, "Hettich sa. Uppgifterna visade en familj av nitrogenasliknande proteiner som var nästan 50 gånger mer rikliga i svavelhalt, etenproducerande prover. Vissa järn- och svavelrelaterade proteiner ökade också i överflöd när svavel var knappt, pekar på en möjlig ny väg för svavelmetabolism.

Dessa data var överraskande eftersom nitrogenasliknande proteiner grupperas i genkommentarer med nitrogenaser som har liknande DNA-sekvenser och är kända för att omvandla atmosfäriskt kväve till ammoniak. Denna kvävefixeringsprocess är avgörande för livet på jorden och har studerats ingående. Med tanke på deras namn, dessa nitrogenasliknande proteiner är inte sådana som forskarna skulle ha gissat spelar en roll i svavelmetabolismen.

"Ibland kan namngivning eller annotering av en gen eller genfamilj vara vilseledande, "Sa Hettich." Namnet antyder en primär funktion. Faktiskt, genen kan ha en sekundär funktion, ett nattjobb så att säga, eller det kan faktiskt göra något helt annat. "

"Men data är data, "fortsatte han." Om du kör mätningarna korrekt och på ett agnostiskt sätt där du inte vet svaret a priori , då kommer data att avslöja de verkliga kopplingarna. "

Med dessa viktiga proteomdata, Ohio State forskare och kollegor vid Colorado State University och Pacific Northwest National Laboratory körde en rad experiment som manipulerade bakteriegenomet för att inkludera eller ta bort genklustret Rru_A0793-Rru_A0796. Genborttagningen och utbytet stängdes av och på etenproduktionen som en omkopplare, bekräftar att generna och det resulterande enzymet de kodar för är avgörande för denna metaboliska väg.

De nitrogenasliknande enzymerna klyver kol-svavelbindningar för att reducera 2- (metyltio) etanol till en föregångare för framställning av metionin. Denna väg producerar eten som en biprodukt. Forskargruppen fann att om källan till svavel ändras till dimetylsulfid, den vanligaste flyktiga organiska svavelföreningen, bakterier använder den i sin metioninväg och producerar metan som en biprodukt.

Förutom ett potentiellt biologiskt sätt att producera eten för användning i plast och andra industriprodukter, dessa fynd kan informera om behandlingar för grödor i vattentäta, anaeroba jordar för att förhindra skador från ett överflöd av eten. I rätt mängd, eten är ett viktigt växthormon som hjälper växter att växa, utveckla löv och rötter och mogna frukter. Denna studie skapar en mängd nya vetenskapliga frågor, inklusive om denna väg är involverad i interaktioner mellan växter och mikrober.

"Det är mycket spännande att denna upptäckt leder till nya undersökningar som faktiskt kan ha en betydande fördel för jordbruket och andra grödor också, "Sa North.