Am 16. April 2025 hat ein Forschungsteam der Philipps-Universität Marburg einen vielversprechenden Durchbruch in der Methanforschung erzielt. Die Erkenntnisse, veröffentlicht im renommierten Forschungsmagazin Nature, konzentrieren sich auf die Aktivierung der Methyl-Coenzym-M-Reduktase (MCR), einem zentralen Enzym in der biologischen Methanproduktion. Methan (CH4) hat ein um ein Vielfaches höheres Treibhauspotenzial als Kohlendioxid (CO2) und stellt somit eine erhebliche Herausforderung im Kampf gegen den Klimawandel dar.
Die Forscher konnten erstmals den MCR-Aktivierungskomplex aus einem methanogenen Modellorganismus isolieren und charakterisieren. Dieser Prozess erfordert ein kleines Protein, bekannt als McrC, sowie spezifische methanogene Markerproteine (MMPs) und eine ATPase. Die Aktivierung von MCR wird durch die Bereitstellung von Energie in Form von ATP orchestriert. Bisher war unklar, wie dieser Mechanismus genau funktioniert, insbesondere aufgrund der Herausforderung, die mit dem Nickelatom im Cofaktor F430 verbunden ist.
Entwicklungen in der biochemischen Methanproduktion
Die Forscher identifizierten drei spezialisierte Metallverbindungen, genannt L-Cluster, mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie. Diese L-Cluster, welche zuvor nur in Verbindung mit Nitrogenasen vermutet wurden, zeigen auf interessante Weise eine Verbindung zwischen Methanproduktion und Stickstofffixierung auf. Dieser Fortschritt könnte bedeutende Implikationen für die Regulierung von Methanemissionen und das Verständnis biogeochemischer Kreisläufe haben.
Die Ergebnisse der Studie werden als Meilenstein in der biochemischen Prozessforschung gewertet. Prof. Dr. Gert Bange, ein führender Wissenschaftler der Universität Marburg, hebt die Exzellenz der Universität in Mikrobiologie und Klimaforschung hervor und betont die Perspektiven, die sich durch die neuen Erkenntnisse für die Klimaforschung und Evolutionsbiologie ergeben. Die originalpublikation hierzu ist unter der DOI: 10.1038/s41586-025-08890-7 zu finden.
Zusammenhang von Methanogens und Mikroben
Die Erkenntnisse zur MCR sind besonders relevant, da sie im Kontext der bisherigen Forschung betrachtet werden müssen. So untersuchen etwa Ueno et al. (2006) die mikrobielle Methanogenese in der frühen Archaean-Ära. Auch Wolfe und Fournier (2018) analysieren, wie horizontaler Gentransfer die Evolution von Methanogenen beeinflusst hat. Dabei zeigen Arbeiten von Thauer und anderen (2008; 2019), wie ökologische Unterschiede in der Energiegewinnung und die Rolle der Methyl-Coenzym-M-Reduktasen bei anaerober Methanbildung herausgearbeitet werden.
Das Max-Planck-Institut für Biophysik und das Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg tragen ebenfalls zu diesem Wissensfeld bei, indem sie die Methanproduktion durch Archaebakterien in sauerstofffreien Umgebungen untersuchen. Diese Archaebakterien sind in verschiedenen Lebensräumen wie Reisfeldern, Mooren und Kuhmägen aktiv und spielen eine essentielle Rolle in der biologischen Methanbildung.
Durch die tiefere Kenntnis der Enzymstrukturen, insbesondere der Nickel-Eisen-Hydrogenasen, die für die Methanbildung entscheidend sind, könnten zukünftige technische Anwendungen in der Wasserstoffproduktion entwickelt werden. Diese Enzyme könnten optimiert werden, um ihre Stabilität gegenüber Sauerstoff zu erhöhen und damit neue Möglichkeiten der Energiegewinnung zu erschließen.
Die aktuelle Forschung verspricht somit nicht nur ein besseres Verständnis der biologischen Methanproduktion, sondern auch Ansätze zur Bekämpfung klimatischer Herausforderungen durch verbesserte Technologien.
