Rudolf K. Thauer

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Forschungsprojekt

In anoxischen Biotopen wie feuchten Böden, Sedimenten von Gewässern und Verdauungstrakten von Tieren wird Zellulose, ein Glucose-Polymer, zu Methan und CO₂ fermentiert. Zellulose wird zunächst durch eine syntrophe Assoziation von anaeroben Bakterien, Protozoen und Pilzen im Wesentlichen zu Essigsäure, CO₂ und H₂ umgesetzt und diese Produkte dann von methanogenen Archaea zu Methan verstoffwechselt. Bisher gibt es keinen Organismus, der alleine Glucose zu 3 CH₄ und 3 CO₂ fermentieren könnte. Nach einer kinetischen Theorie des Wachstums, die die Wachstumsgeschwindigkeit von Mikroorganismen in Relation zur Länge des katabolen Stoffwechselweges setzt, lässt sich die Fragmentierung der Stoffwechselwege für Energiesubstrat-limitiertes Wachstum von planktonischen Zellen erklären (Pfeiffer, T., Schuster, S. & Bonhoeffer S. (2001) Cooperation and Competition in the Evolution of ATP-Producing Pathways. Science 292, 504-507). Dieselbe Theorie sagt aber voraus, dass es in Biofilmen methanogene Archaea geben sollte, die Glucose zu Methan und CO₂ umsetzen können sollten. Um die Theorie zu testen, haben wir Methanosarcina acetivorans ausgewählt, dem nur die Gene für einen Glucose-Transporter und für eine Glucokinase fehlen, um auf Glucose wachsen zu können, und haben in diesen Organismus das Gen für den Glucose-Transport-Facilitator aus Zymomonas mobilis und das Gen für Glucokinase aus E. coli kloniert und integriert. Und tatsächlich konnten Zellsuspensionen des rekombinanten M. acetivorans Stammes Glucose zu Methan umsetzen, wenn auch allerdings zunächst nur mit niedrigen spezifischen Raten (Abb.). Im nächsten Schritt werden wir den Geschwindigkeits-bestimmenden Schritt identifizieren und überwinden müssen.

Von 2013 an wird Michael Rother dieses Projekt an der Technischen Universität Dresden alleine weiterführen, wohin er Ende 2011 berufen wurde. In den letzten zwei Jahren wurde das Projekt vom LOEWE-Zentrum für synthetische Mikrobiologie in Marburg finanziert.

Teilnehmer: R. Thauer mit Christian Sattler in Zusammenarbeit mit  Prof. Dr. Michael Rother, Universität Frankfurt; seit 10/2011 Technische Universität Dresden