Forschung

1. Physiologie anaerober Mikroorganismen
   
   Bakterien und Archaeen prägen bereits seit Milliarden von Jahren die Biogeochemie der Erde, besiedeln fast alle bekannten Umweltstandorte und spielen eine entscheidende Rolle im biogeochemischen Kreislauf von Schlüsselelementen wie Kohlenstoff sowie für das Klima der Erde. Unser besonderes Interesse gilt der Erforschung anaerober Bakterien und Archaeen, die an ein Leben ohne Sauerstoff angepasst sind. Archaeen sind Prokaryonten, die neben den Bakterien eine der Domänen des Lebens bilden und teilweise an extremen Standorten wie hydrothermalen Schloten oder heißen Quellen leben können. In den letzten Jahren wurden durch moderne Hochdurchsatz-Sequenzierungsmethoden viele neue Archaeen-Stämme entdeckt, aber ihre Isolierung und physiologische Charakterisierung hinkt weit hinterher. Durch die physiologische und biochemische Charakterisierung noch nicht charakterisierter bakterieller und archaealer Stoffwechselwege und der daran beteiligten Enzyme wollen wir neue Erkenntnisse über die Physiologie dieser Mikroorganismen erlangen und dazu beitragen, der Vielzahl nicht charakterisierter archaealer und bakterieller Gene Funktionen zuzuordnen.
2. Untersuchung methoxydotropher Archaeen und Bakterien
   
   Methoxylierte aromatische Verbindungen sind Hauptbestandteile von Lignin und Kohle und kommen auf der Erde sehr häufig vor. Die Verwendung von methoxylierten Aromaten als Substrat für bakterielles Wachstum ist seit Jahrzehnten bekannt. Die Umwandlung von methoxylierten Aromaten wird durch Corrinoid-abhängige Methyltransferase-Systeme katalysiert. Obwohl diese Systeme in anaeroben Bakterien weit verbreitet sind, sind bisher nur wenige davon charakterisiert worden. Im Gegensatz zu Bakterien wurde bei Archaeen erst kürzlich die Fähigkeit nachgewiesen, methoxylierte Aromaten mit ähnlichen Enzymsystemen umzuwandeln [1, 2, 3]. Archaeen wandeln methoxylierte Aromaten zu den Treibhausgasen Methan und/oder CO2 um. Um einen tieferen Einblick in die mikrobielle Umwandlung von methoxylierten Aromaten und die ökologische Rolle von methoxydrotrophen Archaeen und Bakterien zu gewinnen, wollen wir verschiedene bakterielle und archaeale O-Demethylase-Systeme charakterisieren, den Stoffwechsel im Detail studieren und die Ökophysiologie dieser Mikroorganismen untersuchen.
   
   [1] Mayumi et al. (2016) Science 354: 222-225
   [2] Kurth et al. (2021) ISME J 15: 3549–3565
   [3] Welte (2021) Environ Microbiol 23: 4017-4033
3. Entschlüsselung neuer Stoffwechselwege in Archaeen, die sich auf Treibhausgasemissionen auswirken (ERC Starting Grant Projekt ARCHAEBOLIC)
   
   Methanogene Archaeen sind die Hauptproduzenten des Treibhausgases Methan. Insbesondere im Hinblick auf den Klimawandel ist es entscheidend, alle Faktoren zu verstehen, die Treibhausgasemissionen beeinflussen. In einer früheren Arbeit (Kurth et al. 2021, ISME J) haben wir ein neuartiges Enzymsystem identifiziert und charakterisiert, das es (methanogenen) Archaeen ermöglicht, Holzbestandteile, sogenannte methoxylierte Aromaten, umzuwandeln. Die neuartigen Enzymsysteme sind weit verbreitet, und es lassen sich neue Stoffwechselwege vorhersagen, an denen verschiedene methylierten Substraten beteiligt sind. Dies lässt auf eine wichtige Rolle der entsprechenden Archaeen bei der anaeroben Umwandlung von Lignin und verschiedenen methylierten Verbindungen in Methan und/oder CO2 schließen. Unser Ziel ist es daher, (i) diese neuartigen Enzymsysteme biochemisch und im Hinblick auf ihre Evolution zu charakterisieren, (ii) die Physiologie der Archaeen zu untersuchen, die diese Systeme nutzen, und (iii) die Rolle dieser Archaeen in der Umwelt und für Methan- und CO2-Emissionen zu bewerten.