En ny förståelse för hur en viktig metanproducerande mikroorganism skapar metan och koldioxid kan så småningom tillåta forskare att manipulera hur mycket av dessa viktiga växthusgaser som flyr ut i atmosfären. En ny studie av forskare från Penn State föreslår en uppdaterad biokemisk väg som förklarar hur mikroorganismen använder järn för att mer effektivt fånga energi när den producerar metan. Studien visas online i tidskriften Vetenskapens framsteg .

"Mikroorganismen Methanosarcina acetivorans är ett metanogen som spelar en viktig roll i kolets kretslopp, genom vilket dött växtmaterial återvinns till koldioxid som sedan genererar nytt växtmaterial genom fotosyntes, sa James Ferry, Stanley Person professor i biokemi och molekylärbiologi vid Penn State, som ledde forskargruppen. "Metanogener producerar cirka 1 miljard ton metan årligen, som spelar en avgörande roll i klimatförändringarna. Att förstå processen genom vilken denna mikroorganism producerar metan är viktigt för att förutsäga framtida klimatförändringar och för att potentiellt manipulera hur mycket av denna växthusgas som organismen släpper ut."

Methanosarcina acetivorans, som finns i miljöer som havsbotten och risfält där det hjälper till att bryta ner dött växtmaterial, omvandlar ättiksyra till metan och koldioxid. Före denna studie, dock, forskare var inte säkra på hur mikroorganismen hade tillräckligt med energi för att överleva i de syrefria – anaeroba – miljöer där den lever. Forskarna fastställde att en oxiderad form av järn som kallas "järn tre, "i huvudsak rost, låter mikroorganismen arbeta mer effektivt, använder mer ättiksyra, skapa mer metan, och skapa mer ATP - en kemikalie som ger energi för biologiska reaktioner som är nödvändiga för tillväxt.

"De flesta organismer som människor använder en process som kallas andning för att skapa ATP, men detta kräver syre, " sa Ferry. "När inget syre finns, många organismer använder istället en mindre effektiv process som kallas fermentering för att skapa ATP, som de processer som används av jäst vid produktion av vin och öl. Men närvaron av järn tillåter M. acetivorans att använda andning även i frånvaro av syre."

Resultaten gjorde det möjligt för forskarna att uppdatera den biologiska vägen genom vilken M. acetivorans omvandlar ättiksyra till metan, som nu omfattar andning. Vägar som denna innefattar många mellansteg, under vilken energi ofta går förlorad i form av värme. Forskarna fastställde också att i närvaro av järn, energiförlusten i denna mikroorganism minskar på grund av en nyligen upptäckt process som kallas elektronbifurkation.

"Elektronbifurkation tar ett av de steg som har potential för enorm värmeförlust och skördar den energin i form av ATP snarare än värme, ", sa Ferry. "Detta gör processen mer effektiv."

Denna uppdaterade väg kan tillåta forskare att förutsäga mängden metan som mikroorganismen kommer att släppa ut i atmosfären.

"Risfält - en viktig källa till metan i atmosfären - innehåller ruttnande risväxter nedsänkta i vatten som i slutändan bearbetas av M. acetivorans. Om vi ​​mäter mängden järn tre som finns i risfälten, vi kan förutsäga hur mycket metan som kommer att frigöras av mikroorganismerna, som kan förbättra våra klimatförändringsmodeller."

I frånvaro av järn, mikroorganismen producerar ungefär lika mycket metan och koldioxid från ättiksyra. Men med ökande mängder järn, den producerar mer koldioxid i förhållande till metan, så att förse organismen med ytterligare järn kan förändra de relativa mängderna av dessa växthusgaser som produceras.

"Metan är 30 gånger mer potent som växthusgas än koldioxid, vilket gör det mer problematiskt när det gäller vår värmande planet, " sa Ferry. "Nu när vi bättre förstår denna biokemiska väg, vi ser att vi kan använda järn för att ändra förhållandet mellan de gaser som produceras. I framtiden, vi kanske till och med kan gå längre och hämma produktionen av metan av denna mikroorganism.

"Förutom de praktiska tillämpningarna, detta är ett stort tillägg för att förstå biologin i den i stort sett osedda men enormt viktiga anaeroba världen."