Extracellular Electron Transfer in Methanogenic Archaea

For tre årtier siden kunne respiration med en elektronacceptor på fast form have været del af en god sciencefictionfortælling. Nu ved vi, at “elektroaktive” mikroorganismer udfører denne proces dagligt i diverse anaerobehabitater. Disse elektroaktive klassificeres ud fra deres evne til at udnytte faste elektrondonorer eller -acceptorer udenforderes celler i forbindelse med intracellulære redoxprocesser. En økologisk og økonomisk relevant gruppe blandt disseorganismer udgøres af de metanogene arkæer, der ofte spiller rollen som terminale elektronacceptorer i anaerobe miljøer. Metanogene arkæer er i stand til at optage elektroner extracellulært direkte fra faste elektrondonorer; men mekanismernebag denne evne kendes ikke. Denne mangel på viden var motivationen bag denne afhandling. Vi undersøgte direkteelektronoptag i metanogene arkæer dels fra en elektrondonerende mikroorganisme og dels fra en katode i etbioelektrokemisk system. Vi identificerede fem nye elektroaktive metanogene arkæer fra ordenen Methanosarcinales, som alle modtog eletroner direkte fra Geobacter metallireducens. Undersøgelserne i det bioelektrokemiske system vistederimod, at én ud af tre testede metanogene arkæer (M. horonobensis) vare ude af stand til at optage elektroner fra enelektrode, selvom den optog dem fra Geobacter. Dette blev forklaret udfra Geobacters evne til at modulere expressionen af dens extracellulære elektronoverførselsproteiner (multihæm-c-type-cytochromer/MHCer), så de matcher redoxpotentialet for de elektronaccepterende molekyler på den metanogene partners overflade. Expressionen af multihæm-cytochromer i Geobacter dyrket sammen med M. horonobensis var forskellig fra mønsteret i Geobacter dyrket med Ms. barkeri, men lignede mønsteret i Geobacter dyrket med Mtx. harundinacea. Dette tyder på sammenlignelige elektronoptagelsesruter i Ms. horonobensis og Mtx. harundinacea. Indtil nu er extracellulær elektronoverførsel hovedsageligt undersøgt i modelorganismer som Geobacter, hvor processen involverer pili og multihæm-c-typecytochromer. Derfor forventedes lignende elektronoverførselsstrategier for metanogene arkæer. Dog havde kun to ud afsyv elektroaktive metanogene arkæer sådanne cytochromer, hvilket viser, at MHCer ikke findes hos alle, der har evnen til at optage elektroner direkte. For at be- eller afkræfte MHCers betydning for direkte elektronoptag udvalgte vi en M. mazei, for hvilken in MHC-mutant var tilgængelig. M. mazei optog extracellulære elektroner uafhængigt af densmultihæm-cytochrom, hvilket bekræfter, at MHCer ikke er nødvendige for elektronoptag i Methanosarcina. Transientelektrokemisk stimulering af metanogene arkæer er blevet foreslået som en strategi til opgradering af biogas, som kan benyttes i forbindelse med diskontinuert produktion af grøn energi. Vi undersøgte derfor virkningen af hhv. transient og kontinuert elektrokemisk stimulering på et Geobacter-Methanosarcina konsortium og observerede, at begge to blev negativt påvirket af den transiente påvirkning. Denne viden kan bruges i bioteknologiske strategier, hvor brug af sådanne konsortier påtænkes. Den nye indsigt i metanogene arkæers elektroaktivitet opnået i dette studie bidrager til en bedreforståelse af disse organismers rolle i miljøet og også til designet af fremtidige elektrokemiske teknologier til opgradering af biogas. Mine undersøgelser har således påvist elektronoptag fra en katode og fra elektrogene partnere i flere arter af Methanosarcina ved en mekanisme, der er uafhængig af såvel hydrogen som cytochromer, og undersøgelserne har ført til en ny hypotese for elektronoptag i Methanosarcinales.