SPP 1319:  Biological Transformations of Hydrocarbons in the Absence of Oxygen

• Fachliche Zuordnung: Medizin ; Biologie ; Chemie
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 36065184

Kohlenwasserstoffe umfassen die wichtigsten Energieträger für den Menschen und dienen als bedeutende Rohstoffe für die chemische Industrie (Erdöl, Erdgas, Kohle, Methanhydrate).
Allerdings stellen sie aufgrund der Verbreitung, Persistenz und Toxizität vieler ihrer Verbindungen auch eine ökologisch brisante Stoffklasse dar. Im letzten Jahrzehnt wurde deutlich, dass Stoffwechselreaktionen in anoxygenen Bereichen von erheblicher Bedeutung für den globalen Kohlenstoffkreislauf im Allgemeinen und für Bildung/Abbau von Kohlenwasserstoffen im Besonderen sind. Die für die meist sehr langsamen Transformationen von Kohlenwasserstoffen notwendige Aktivierung der reaktionsträgen C-H-Bindung in aliphatischer, olefinischer und aromatischer Umgebung ohne Hilfe von molekularem Sauerstoff scheint nach biochemischen Prinzipien zu verlaufen, die in der Natur einzigartig sind.
In den vergangenen Jahren wurden entscheidende Fortschritte in Einzeldisziplinen des Forschungsgebiets erzielt:
(1) die Entdeckung und Isolierung von anaeroben Bakterien mit zuvor unbekannten Stoffwechselleistungen,
(2) die Sequenzierung der ersten Genome anaerober Kohlenwasserstoff-Abbauer,
(3) Fortschritte in den Teildisziplinen Ökophysiologie/Biogeochemie (z.B. in-situ-Charakterisierung von Stoffwechselleistungen/Stoffkreisläufen, Isotopen-Biogeochemie), Biochemie (Identifizierung/Charakterisierung neuartiger, sauerstoffempfindlicher Enzyme) sowie in der Biophysik und Theoretischen Chemie (Methoden zur Charakterisierung des Mechanismus von Metalloenzymen).
Die erzielten Fortschritte in den einzelnen Teildisziplinen werfen jetzt eine Reihe von Fragen auf, deren Lösung einen interdisziplinären Ansatz erfordert: Welche Rolle spielen die unter Laborbedingungen teilweise bis zur molekularen Ebene hin verstandenen anoxischen, biologischen Transformationen von Kohlenwasserstoffen tatsächlich in der Natur? Welche ökologischen/geochemischen Parameter werden von ihnen in welchem Ausmaß beeinflusst ("vom Labor in die Natur")? Umgekehrt führen Erkenntnisse aus in-situ-Studien über Kreisläufe umweltrelevanter Substanzen dazu, dass neuartige Stoffwechselleistungen überhaupt erst erkannt werden und die dafür verantwortlichen Organismen gezielt isoliert werden können ("von der Natur ins Labor").
Erstmals in Deutschland soll in einem die Disziplinen Geobiochemie, Ökologie, Mikrobiologie, Biochemie und Chemie umfassenden Schwerpunktprogramm die Thematik der anoxygenen Transformation von Kohlenwasserstoffen in einem größeren wissenschaftlichen Kontext angegangen werden. Deutsche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind in einzelnen Fachdisziplinen des geplanten Schwerpunkts international führend. Dieser Vorsprung soll interdisziplinär ausgebaut und international sichtbar gemacht werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Internationaler Bezug: Großbritannien

Projekte

• Acetone carboxylation as a model reaction for anaerobic activation of hydrocarbons (Antragsteller Schink, Bernhard )
• Anaerobic alkane and alkene metabolism in sulfate-reducing prokaryotes (Antragsteller Heider, Johann )
• Anaerobic bacterial metabolism of cholesterol (Antragsteller Boll, Matthias )
• Anoxic Enzymatic Conversion of Acetylene (Antragsteller Einsle, Oliver )
• BSS and beyond - functional markers to unravel the ecology of anaerobic hydrocarbon degraders in the environment (Antragsteller Lüders, Tillmann )
• Characterization of the biochemistry and physiology of hydrocarbon degradation pathways by stable isotope-based approaches (Antragsteller Richnow, Hans Hermann )
• Computational Investigation of Mechanisms of Enzymes Involved in the Anaerob Degradation of Hydrocarbons (Antragsteller Ullmann, Matthias )
• Elucidation of anaerobic benzene and alkylated aromatic compound degradation pathways and associated proteins by proteomic and metabolomic analyses (Antragstellerin Seifert, Jana )
• Elucidation of reaction mechanisms in the anaerobic degradation of hydrocarbons (Antragsteller Buckel, Wolfgang ;  Golding, Bernhard )
• Enzymatic reactions involved in anaerobic naphthalene degradation (Antragsteller Meckenstock, Rainer Udo )
• Identification and characterization of benzene carboxylase, the key enzyme in anaerobic benzene degradation (Antragsteller Meckenstock, Rainer Udo )
• Mechanisms and microorganisms involved in degradation of BTEX and PAH under methanogenic conditions (Antragsteller Krüger, Martin )
• Mechanistic investigations on the pathway of n-alkane oxidation in anaerobic bacteria (Antragsteller Wilkes, Heinz )
• Microorganisms degrading cyclic and short-chain alkanes under anoxic conditions (Antragsteller Musat, Florin )
• Molecular ecology and biochemistry of cyclohexenoyl-CoA hydrolysing/forming enzymes (Antragsteller Boll, Matthias )
• Molecular ecology of sulphate-reducing bacteria involved in anaerobic degradation of hydrocarbons at marine gas and oil seeps (Antragstellerin Knittel, Katrin )
• Multifrequency (9, 34 and 94 GHz) EPR investigations of paramagnetic intermediates in heterodisulfide reductase and related enzymes (Antragstellerin Bennati, Marina )
• Natural anaerobic degradation of methane and petroleum in marine sediments: geochemical gradients, degradation succession and microbial zonation (Antragsteller Wallmann, Klaus )
• Novel multi-site enzymes in the transformation of aliphatic and aromatic hydrocarbons (Antragsteller Kroneck, Peter M. H. )
• Pathway diversity and stereochemistry of anaerobic degradation of alkyltoluenes/-benzoates (Antragsteller Rabus, Ralf ;  Wilkes, Heinz )
• Quantum chemical studies on the spectroscopic and reactive properties of short lived intermediates in selected anaerobic enzymes (Antragsteller Neese, Frank )
• Structural biochemistry of 4-hydroxyphenylacetate decarboxylase, benzylsuccinate synthase and respective activating-enzymes (Antragstellerin Martins, Berta )
• Structure and reaction mechanism of benzylsuccinate synthase and its activating enzyme (Antragsteller Heider, Johann )
• The role of uncharacterized methyl-x:coenzyme M methyltransferases for activation of novel methylotrophic energy substrates in Methanosarcina acetivorans (Antragsteller Rother, Michael )
• Unusual enzyme complexes in anaerobic aromatic metabolism of Geobacter metallireducens (Antragsteller Boll, Matthias )
• X-ray structure analysis on key enzymes involved in the anaerobic degradation of hydrocarbons (Antragsteller Ermler, Ulrich )

• Sprecher: Professor Dr. Matthias Boll
• stellvertr. Sprecher: Professor Dr. Rainer Udo Meckenstock