Methanosarcina

Methanosarcina barkeri fusaro.gif
Methanosarcina
Methanosarcina barkeri fusaro
Vetenskaplig klassificering
Domän:
Archaea
Rike:
Euryarchaeota
Provins:
Euryarchaeota
Klass:
Metanomikrobi
Beställa:
Methanosarcinales
Familj:
Methanosarcinaceae
Släkte:
Methanosarcina
Binomialt namn
Methanosarcina
Kluyver och van Niel 1936
Arter

Methanosarcina är ett släkte av euryarchaeote archaea som producerar metan . Dessa encelliga organismer är kända som anaeroba metanogener som producerar metan genom att använda alla tre metaboliska vägar för metanogenes . De lever i olika miljöer där de kan förbli säkra från effekterna av syre, oavsett om de är på jordens yta, i grundvatten, i djuphavsöppningar och i djurens matsmältningskanaler. Methanosarcina växer i kolonier.

Aminosyran pyrrolysin upptäcktes först i en Methanosarcina -art, M. barkeri . Primitiva versioner av hemoglobin har hittats i M. acetivorans , vilket tyder på att mikroben eller en förfader till den kan ha spelat en avgörande roll i livets utveckling på jorden. Arter av Methanosarcina är också noterade för ovanligt stora genom. M. acetivorans har det största kända genomet av någon arkeon.

Enligt en teori publicerad 2014 kan Methanosarcina till stor del ha varit ansvarig för den största utrotningshändelsen i jordens historia, Perm-Trias-utrotningen . Teorin antyder att förvärvet av en ny metabolisk väg via genöverföring följt av exponentiell reproduktion gjorde det möjligt för mikroben att snabbt konsumera stora avlagringar av organiskt kol i marina sediment, vilket ledde till en kraftig uppbyggnad av metan och koldioxid i jordens hav och atmosfär som dödade cirka 90 % av världens arter. Denna teori skulle bättre kunna förklara den observerade kolisotopnivån i periodavlagringar än andra teorier som vulkanisk aktivitet.

Methanosarcina har använts vid rening av avloppsvatten sedan mitten av 1980-talet. Forskare har sökt sätt att använda den som en alternativ kraftkälla. Methanosarcina- stammar odlades i enkelcellsmorfologi ( Sowers et al. 1993 ) vid 35°C i HS-buljongmedium innehållande 125 mM metanol plus 40 mM natriumacetat (HS-MA-medium).

Översikt

Methanosarcina kan vara de enda kända anaeroba metanogener som producerar metan genom att använda alla tre kända metaboliska vägar för metanogenes . Metanogenes är avgörande för avfallsbehandlingsindustrin och biologiskt producerad metan utgör också en viktig alternativ bränslekälla. De flesta metanogener gör metan från koldioxid och vätgas . Andra använder acetat i den acetoklastiska vägen. Förutom dessa två vägar kan arter av Methanosarcina också metabolisera metylerade enkolföreningar genom metylotrofisk metanogenes. Sådana enkolföreningar inkluderar metylaminer , metanol och metyltioler. Endast Methanosarcina- arter har alla tre kända vägar för metanogenes och kan använda inte mindre än nio metanogena substrat, inklusive acetat.

Methanosarcina är världens mest olika metanogener när det gäller ekologi . De finns i miljöer som deponier, avloppshögar, djuphavsöppningar, djupt grundvatten under ytan och även i tarmen hos många olika klövdjur , inklusive kor, får, getter och rådjur. Methanosarcina har också hittats i den mänskliga matsmältningskanalen. M. barkeri tål extrema temperatursvängningar och går utan vatten under längre perioder. Det kan konsumera en mängd olika föreningar eller överleva enbart på väte och koldioxid. Det kan också överleva i miljöer med lågt pH som vanligtvis är livsfarliga. Biologen Kevin Sowers noterade dess extrema mångsidighet och postulerade att M. barkeri till och med kunde överleva på Mars. Methanosarcina växer i kolonier och visar primitiv celldifferentiering.

upptäcktes aminosyran pyrrolysin i M. barkeri av forskare från Ohio State University . Tidigare forskning av teamet hade visat att en gen i M. barkeri hade ett in-frame amber (UAG) kodon som inte signalerade slutet på ett protein, som normalt skulle förväntas. Detta beteende antydde möjligheten av en okänd aminosyra som bekräftades under flera år genom att skiva proteinet i peptider och sekvensera dem. Pyrrolysin var den första genetiskt kodade aminosyran som upptäcktes sedan 1986, och den 22:a totalt. Den har därefter hittats i hela familjen Methanosarcinaceae såväl som i en enda bakterie, Desulfitobacterium hafniense .

Både M. acetivorans och M. mazei har exceptionellt stora genom . I augusti 2008 M. acetivorans det största sekvenserade arkeala genomet med 5 751 492 baspar . Genomet hos M. mazei har 4 096 345 baspar.

Methanosarcina- cellmembran är gjorda av relativt korta lipider, främst av C25-kolväten och C20-etrar. Majoriteten av andra metanogener har C30-kolväten och en blandning av C20- och C40-etrar.

Roll i tidig utveckling av liv på jorden

upptäcktes två primitiva versioner av hemoglobin i M. acetivorans och en annan arkeon, Aeropyrum pernix . Kända som protoglobiner, dessa globiner binder med syre ungefär som hemoglobin gör. Hos M. acetivorans möjliggör detta avlägsnande av oönskat syre som annars skulle vara giftigt för denna anaeroba organism. Protoglobiner kan alltså ha skapat en väg för utvecklingen av senare livsformer som är beroende av syre. Efter den stora syresättningshändelsen , när det väl fanns fritt syre i jordens atmosfär, ledde förmågan att bearbeta syre till utbredd strålning av liv, och är ett av de mest grundläggande stadierna i utvecklingen av jordens livsformer.

Inspirerat av M. acetivorans föreslog ett team av forskare från Penn State under ledning av James G. Ferry och Christopher House en ny "termodynamisk evolutionsteori" 2006. Det observerades att M. acetivorans omvandlar kolmonoxid till acetat , antog forskarna att tidiga "protoceller" kopplade till mineral kunde på liknande sätt ha använt primitiva enzymer för att generera energi samtidigt som de utsöndrar acetat. Teorin försökte alltså förena den "heterotrofa" teorin om tidig evolution, där ursoppan av enkla molekyler uppstod från icke-biologiska processer, och den "kemoautotrofa" teorin, där de tidigaste livsformerna skapade de flesta enkla molekylerna. Författarna observerade att även om "debatten mellan de heterotrofa och kemotrofa teorierna kretsade kring kolfixering", i själva verket "utvecklades dessa vägar först för att göra energi. Efteråt utvecklades de för att fixera kol." Forskarna föreslog vidare mekanismer som skulle ha tillåtit den mineralbundna protocellen att bli frilevande och för utvecklingen av acetatmetabolism till metan, med samma energibaserade vägar. De spekulerade att M. acetivorans var en av de första livsformerna på jorden, en direkt ättling till de tidiga protocellerna. Forskningen publicerades i Molecular Biology and Evolution i juni 2006.

Nyligen har forskare föreslagit en utvecklingshypotes för acetatkinas och fosfoacetyltransferas med genomiska bevis från Methanosarcina . Forskare antar att acetatkinas kan vara urokinaset i en stor proteinsuperfamilj som inkluderar aktin . Bevis tyder på att acetatkinas utvecklats i ett gammalt halofilt Methanosarcina- genom genom duplicering och divergens av acetyl coA-syntetasgenen .

Roll i utrotningen av Perm-Trias

Det antogs att Methanosarcinas metanproduktion kan ha varit en av orsakerna till Perm-Trias-utrotningen . Det uppskattas att 70% av skaldjuren dog av havsförsurning, på grund av överbefolkad Methanosarcina . En studie gjord av kinesiska och amerikanska forskare stödjer den hypotesen. Med hjälp av genetisk analys av cirka 50 Methanosarcina -genom drog teamet slutsatsen att mikroben sannolikt förvärvade förmågan att effektivt konsumera acetat med acetatkinas och fosfoacetyltransferas för ungefär 240 ± 41 miljoner år sedan, ungefär vid tiden för utrotningen för 252 miljoner år sedan. Generna för dessa enzymer kan ha förvärvats från en cellulosanedbrytande bakterie via genöverföring .

Forskarna drog slutsatsen att dessa nya gener, i kombination med allmänt tillgängliga organiska kolavlagringar i havet och en riklig tillgång på nickel , gjorde det möjligt för Methanosarcina -populationerna att öka dramatiskt. Enligt deras teori ledde detta till utsläpp av rikligt med metan som avfall. Då skulle en del av metanet ha bryts ner till koldioxid av andra organismer. Ansamlingen av dessa två gaser skulle ha fått syrenivåerna i havet att minska dramatiskt, samtidigt som surheten ökade . Terrestra klimat skulle samtidigt ha upplevt stigande temperaturer och betydande klimatförändringar från utsläpp av dessa växthusgaser i atmosfären. Det är möjligt att ansamlingen av koldioxid och metan i atmosfären så småningom orsakade frisättningen av vätesulfidgas , vilket ytterligare stressade livet på jorden. Teamets resultat publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences i mars 2014.

Mikrobeteorins förespråkare hävdar att det bättre skulle förklara den snabba, men kontinuerliga, ökningen av kolisotopnivån i periodiska sedimentavlagringar än vulkanutbrott, som orsakar en topp i kolnivåerna följt av en långsam minskning. Mikrobeteorin antyder att vulkanisk aktivitet spelade en annan roll - försörjning av nickel som Methanosarcina krävde som en kofaktor . Sålunda hävdar mikrobeteorin att sibirisk vulkanisk aktivitet var en katalysator för, men inte den primära orsaken till massutrotningen.

Användning av människor

1985 utvecklade Shimizu Construction en bioreaktor som använder Methanosarcina för att behandla avloppsvatten från livsmedelsbearbetningsanläggningar och pappersbruk. Vattnet matas in i reaktorn där mikroberna bryter ner avfallspartiklarna. Metanet som produceras av bakterierna används sedan för att driva reaktorn, vilket gör den billig i drift. I tester Methanosarcina avfallskoncentrationen från 5 000–10 000 miljondelar (ppm) till 80–100 ppm. Ytterligare behandling var nödvändig för att avsluta rengöringsprocessen. Enligt en rapport från 1994 i Chemistry and Industry producerade bioreaktorer som använder anaerob rötning av Methanothrix soehngenii eller Methanosarcina mindre slambiprodukter än aeroba motsvarigheter. Methanosarcina- reaktorer arbetar vid temperaturer från 35 till 55 °C och pH-intervall på 6,5-7,5.

Forskare har sökt sätt att utnyttja Methanosarcinas metanproducerande förmågor mer allmänt som en alternativ kraftkälla. I december 2010 skarvde forskare från University of Arkansas framgångsrikt en gen i M. acetivorans som gjorde att den kunde bryta ner estrar . De hävdade att detta skulle göra det möjligt för den att mer effektivt omvandla biomassa till metangas för kraftproduktion. 2011 visades att det mesta av metan som produceras vid nedbrytning på deponier kommer från M. barkeri . Forskarna fann att mikroben kan överleva i miljöer med lågt pH och att den förbrukar syra, vilket höjer pH-värdet och tillåter ett bredare liv att blomstra. De hävdade att deras fynd kunde hjälpa till att påskynda forskningen om att använda archaea-genererad metan som en alternativ kraftkälla.

Anteckningar

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Methanosarcina&oldid=1139576509 "