Aufklärung des Mechanismus der mikrobiell katalysierten Umwandlung von FeS und H2S zu Pyrit

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Pester
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 435849387

Die Reaktion von FeS und H2S zu FeS2 (Pyrit) und H2 wird derzeit als der entscheidende Energie-liefernde Prozess für einen ersten autokatalytischen Stoffwechsel auf der Erde diskutiert. Gleichzeitig ist bekannt, dass Pyrit seit dem Archaikum in großen Mengen in Sedimenten gebildet wurde, was nicht nur einen großen Einfluss auf den globalen Schwefel- und Eisenkreislauf hatte, sondern auch auf den Redox-Zustand der Atmosphäre. Die Mechanismen hinter der sedimentären Pyritbildung und der Einfluss von Mikroorganismen darauf sind noch unklar. Dieses Jahr konnten wir die erste Anreicherungskultur (J5) beschreiben, die aus FeS, H2S, und CO2 als einzige Substrate FeS2 und CH4 bilden kann (Thiel et al., 2019, PNAS). Dieser Antrag hat zum Ziel die Mechanismen der Pyritbildung in Anreicherung J5 aufzuklären. Dabei steht im Vordergrund, ob die Pyritbildung Teil eines unbekannten Energiestoffwechsels ist oder von Mikroorganismen nur befördert wird. In Hypothese I (H-I) wird postuliert, dass an der Pyritbildung beteiligte Mikroorganismen aus der Wächtershäuser-Reaktion (direkte Bildung von FeS2 und H2 aus FeS und H2S) Energie ziehen können. Dies würde einen Elektronentransfer aus der Zellperipherie bis zur zytoplasmatischen Membran bzw. in das Zytoplasma erfordern, z.B. über Multihäm-Cytochrome-c-Komplexe. Hypothese II (H-II) geht im Gegenzug davon aus, dass der Energiestoffwechsel des nicht-methanogenen Partners auf eine Umkehr der bekannten Schwefelatmung (Umsatz von H2S zu S0 und H2) beschränkt ist, wobei der gebildete Schwefel mit FeS (womöglich abiotisch) zu Pyrit abreagiert. Beide Hypothesen werden in drei komplementären Arbeitspaketen (AP) getestet werden. AP1 hat zum Ziel über Metagenomik möglichst geschlossene Genome der Mikroorganismen aus Anreicherung J5 zu erhalten und diese gezielt auf den kodierten Energiestoffwechsel und Enzymkomplexe indikativ für H-I oder H-II zu annotieren. Danach soll die Expression der Zielgene mittels Metatranskriptomik verfolgt werden. In AP2 sollen die einzelnen Arten in Anreicherung J5 über Fluoreszenz-In-Situ-Hybridisierung identifiziert und über Einzelzell-RAMAN-Mikrospektroskopie auf H-I und H-II getestet werden. Hier soll insbesondere auf RAMAN-Signale von stark exprimierten Cytochrome-c-Proteinkomplexen (H-I) bzw. von elementaren Schwefel innerhalb oder assoziiert mit Zellen (H-II) geachtet werden. AP3 hat komplementär dazu zum Ziel Anreicherung J5 Wachstumsbedingungen auszusetzen, die höchstwahrscheinlich die gleichen/ähnliche Enzymkomplexe erfordern wie in H-I oder H-II dargestellt. Dies beinhaltet die Oxidation von elementarem Eisen unter sulfatreduzierenden Bedingungen (H-I) bzw. die Oxidation von H2 mit elementarem Schwefel zu H2S (H-II). Falls Wachstum unter einer dieser Bedingungen erfolgt, ist eine Genexpressions-Analyse mittels Metatranskriptomik geplant. Dieser Antrag wird wichtige Erkenntnisse für die globalen Schwefel- und Eisenkreisläufe sowie für die Theorien zur Entstehung des Lebens liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen