Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol gr?ssere Molek¨¹le herstellt. Denn Methan kommt auf der Erde reichlich vor und kann auch durch die Verg?rung von Biomasse in Biogasanlagen hergestellt werden. Aus Methan l?sst sich Methanol produzieren. Beide Molek¨¹le sind einfach gestrickt, und sie besitzen je nur ein Kohlenstoffatom. Daraus gr?ssere Molek¨¹le mit mehreren Kohlenstoffatomen zu synthetisieren, ist allerdings komplex.

Was f¨¹r Chemiker mit Aufwand verbunden ist, schaffen einige Bakterienarten mit links. Diese Bakterien k?nnen Methanol als Kohlenstoffquelle nutzen, um daraus Energietr?ger und Baustoffe herzustellen. Sie leben vor allem auf Pflanzenbl?ttern, und sie kommen auch bei uns in grosser Zahl auf jedem Blatt vor. Das von der Wissenschaft am besten untersuchte solche Bakterium heisst Methylobacterium extorquens. Forschende unter der Leitung von Julia Vorholt, Professorin f¨¹r Mikrobiologie, haben nun alle Gene bestimmt, welche dieses Bakterium ben?tigt, um von Methanol leben zu k?nnen.

Bakterien nutzen Pflanzen-Abfallprodukt

?Pflanzenbl?tter produzieren nat¨¹rlicherweise Methanol. Es entsteht als Abfallprodukt bei der Zellwand-Biosynthese?, erkl?rt Vorholt. ?hnlich einem Hybridfahrzeug, das sowohl mit Benzin als auch mit Elektrizit?t betrieben werden kann, kann Methylobacterium extorquens je nach Verf¨¹gbarkeit entweder gr?ssere Kohlenstoffverbindungen (zum Beispiel Carbons?uren) als N?hrstoff nutzen oder das Methanol der Pflanzen. ?Im Methanol-Betrieb k?nnen die Bakterien alle komplexen Verbindungen, die sie ben?tigen, aus diesem kleinen Molek¨¹l aufbauen. Das ist eine ausserordentliche Leistung?, so Vorholt.

Wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun zeigen konnten, besitzt Methylobacterium extorquens knapp 150 Gene, die es spezifisch f¨¹r diesen Methanol-Betrieb braucht. 95 davon waren bisher unbekannt.

Um diese Gene zu finden, kreierten die Forschenden aus Vorholts Gruppe gemeinsam mit Wissenschaftlern der Gruppe von Beat Christen, Professor f¨¹r experimentelle Systembiologie, im Labor gut eine Millionen Bakterien-Mutanten. Diese gaben sie einerseits in ein Kulturmedium mit Methanol, andererseits in ein gew?hnliches N?hrmedium, das Bernsteins?ure enthielt. Dabei interessierten sie sich vor allem f¨¹r die Mutanten, die in gew?hnlichem Medium normal wuchsen, in Methanol jedoch schlecht oder gar nicht. Solches Verhalten zeigt an, dass in den Mutanten ein spezifisch f¨¹r die Nutzung von Methanol erforderliches Gen besch?digt ist.

?Mit dem gew?hlten Verfahren konnten wir von jedem einzelnen Gen des Bakteriums bestimmen, ob es f¨¹r das Wachstum auf Methanol ben?tigt wird. Wir konnten somit alle daf¨¹r erforderlichen Gene identifizieren?, erkl?rt Andrea Ochsner, Doktorandin in Vorholts Gruppe und Erstautorin der in der Fachzeitschrift "Current Biology" ver?ffentlichten Studie.

Signal zum Umschalten auf Methanol-Betrieb

Eines der auf diese Weise neu identifizierten Gene ¨¹berraschte die Forschenden besonders, denn es war bisher nur von Pflanzen bekannt sowie von einer Gruppe Bakterien, welche CO₂ aus der Luft nutzen k?nnen. Das Gen ist die Bauanleitung f¨¹r ein Enzym, das einen Zucker herstellt, der f¨¹r die CO₂-Nutzung wichtig ist. Auf eine Bedeutung dieses Gens in Methylobacterium extorquens gab es bisher keine Hinweise.

Wie die Forschenden nun zeigen konnten, stellt jedoch auch dieses Bakterium den Zucker her, n?mlich dann, wenn es Methanol vorfindet. Im Gegensatz zu den Pflanzen verwendet Methylobacterium extorquens den Zucker allerdings nicht weiter als Baustoff. Vielmehr gehen die Wissenschaftlerinnen davon aus, dass es ihn als Signal einsetzt, um dann, wenn Methanol vorhanden ist, auf Methanol-Betrieb umstellen zu k?nnen.

Nachdem die Wissenschaftler die Bedeutung dieses einen Gens aufgeschl¨¹sselt haben, m?chten sie nun weitere der neu identifizierten Gene untersuchen.

Mikroorganismen neue F?higkeiten verleihen

Die Erforschung der genetischen Grundlagen von Methylobacterium extorquens ist auch f¨¹r die Biotechnologie interessant. In Forschungslabors wird dieses Bakterium bereits eingesetzt, um damit komplexe Molek¨¹le herzustellen. Die neuen Erkenntnisse k?nnten helfen, das Bakterium so zu steuern, dass dieses die gew¨¹nschten Molek¨¹le in gr?sseren Mengen produziert.

Weil alle f¨¹r das Wachstum auf Methanol relevanten Gene nun identifiziert sind, ist es auch denkbar, diese Gene in andere Mikroorganismen einzuschleusen. So k?nnte man auch diesen Organismen die F?higkeit verleihen, auf Methanol zu wachsen ¨C und damit diesen Rohstoff in Zukunft biotechnologisch vielf?ltig nutzen.