{"id":41445,"date":"2020-01-06T15:26:28","date_gmt":"2020-01-06T14:26:28","guid":{"rendered":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=41445"},"modified":"2023-02-22T16:58:23","modified_gmt":"2023-02-22T15:58:23","slug":"neuer-stoffwechsel-im-pansenmikrobiom-entdeckt","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/forschung\/neuer-stoffwechsel-im-pansenmikrobiom-entdeckt\/","title":{"rendered":"Neuer Stoffwechsel im Pansenmikrobiom entdeckt"},"content":{"rendered":"<p>K\u00fche k\u00f6nnen sich an Nahrung mit unterschiedlichem Kochsalzgehalt anpassen. Wie sie das machen, war bislang ein Geheimnis. Jetzt haben Forscher der Goethe-Universit\u00e4t im Mikrobiom des Pansens ein Bakterium entdeckt,&nbsp;das einen neuen Typ von Zellatmung hat.&nbsp;&nbsp;<\/p>\n\n\n\n<p>Die Kuh kann Gras nur mithilfe von Milliarden Mikroorganismen in ihrem Pansen verwerten. Ein ganzer Zoo von Bakterien, Archaeen und Protozoen arbeitet dort wie am Flie\u00dfband: Zuerst spalten diese Einzeller die Cellulose, einen Vielfachzucker, auf. Andere Bakterien verg\u00e4ren die freigesetzten Zucker zu Fetts\u00e4uren, Alkoholen und Gasen wie Wasserstoff und Kohlendioxid. Schlie\u00dflich verwandeln methanogene Archaeen diese beiden Gase zu Methan.<\/p>\n\n\n\n<p>Eine durchschnittliche Kuh produziert etwa 110 Liter Methan pro Tag. Durch das Wiederk\u00e4uen entweicht es aus dem Maul, wird aber auch wieder mit Nahrungsbrei und vermischt. Dadurch kann der Kochsalzgehalt des Grasbreis stark schwanken (zwischen 60 \u2013 800 milli-Mol Natriumchlorid (NaCl) pro Liter).<\/p>\n\n\n\n<p>Wie sich die Bakterien des Pansens an diese stark schwankenden Kochsalzkonzentrationen anpassen, hat eine deutsch-amerikanische Forschergruppe jetzt herausgefunden:\u201eBioinformatische Analysen der&nbsp; Genome von Pansenbakterien f\u00fchrten unseren amerikanischen Kollegen Tim Hackmann zu der Vermutung, dass einige Pansenbakterien zwei unterschiedliche Atmungsketten haben. Eine davon funktioniert mit Natriumionen, die andere ohne\u201c, erkl\u00e4rt Prof. Volker M\u00fcller von der Abteilung Molekulare Mikrobiologie und Bioenergetik an der Goethe-Universit\u00e4t. M\u00fcller schlug seiner Doktorandin Marie Sch\u00f6lmerich deshalb vor, einen typischen Vertreter im Mikrobiom von Wiederk\u00e4uen zu untersuchen: das Bakterium Pseudobutyrivibrio ruminis.<\/p>\n\n\n\n<p>Marie Sch\u00f6lmerich hat zusammen mit der Bachelorstudentin Judith D\u00f6nig und dem Masterstudenten Alexander Katsyv das Bakterium kultiviert. Tats\u00e4chlich konnten sie beide Atmungsketten nachweisen. Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) berichten, wird w\u00e4hrend der Zuckeroxidation der Elektronen\u00fcbertr\u00e4ger Ferredoxin (Fd) reduziert. Reduziertes Ferredoxin treibt beide Atmungsketten an.<\/p>\n\n\n\n<p>Die eine Atmungskette besteht aus dem Enzymkomplex Fd:NAD-Oxidoreduktase (Rnf- Komplex). Er transportiert Natriumionen unter Aufwendung von Energie aus der Zelle. Bei ihrem Wiedereintritt treiben die Natriumionen eine ATP-Synthase an, so dass ATP entsteht. Diese Atmungskette arbeitet nur in Gegenwart von Natrium-Ionen.<\/p>\n\n\n\n<p>Fehlen Natrium-Ionen, bildet das Bakterium eine alternative Atmungskette mit einem anderen Enzymkomplex:&nbsp;Die Ech-Hydrogenase oder synonym Fd:H+-Oxidoreduktase produziert Wasserstoff und pumpt Protonen aus der Zelle. Treten diese \u00fcber eine zweite ATP-Synthase, die Protonen, aber keine Natriumionen akzeptiert, wieder in die Zelle ein, entsteht ebenfalls ATP.<\/p>\n\n\n\n<div class=\"wp-block-image\"><figure class=\"aligncenter size-large is-resized\"><img fetchpriority=\"high\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2020\/01\/pm_Pansenmikrobiom.jpg\" alt=\"\" class=\"wp-image-41448\" width=\"650\" height=\"306\" srcset=\"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2020\/01\/pm_Pansenmikrobiom.jpg 650w, https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2020\/01\/pm_Pansenmikrobiom-300x141.jpg 300w\" sizes=\"(max-width: 650px) 100vw, 650px\" \/><figcaption> <br>  Das Bakterium <em>Pseudobutyrivibrio ruminis<\/em> (gr\u00fcn), ein typisches Pansenbakterium, gewinnt Energie \u00fcber zwei unterschiedliche Atmungsketten. Die eine ben\u00f6tigt Natriumionen, die andere Wasserstoffionen (H+). So passt es sich optimal an die schwankende Kochsalzkonzentration der Nahrung an.&nbsp;(Grafik: Goethe-Universit\u00e4t\/ Kuh: Shutterstock)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n<p>\u201eBis heute ist dies das erste Bakterium, bei dem diese beiden einfachen, komplett unterschiedlichen Atmungsketten nachgewiesen wurden. Unsere bioinformatischen Analysen legen aber nahe, dass sie auch bei anderen Bakterien zu finden sind\u201c, erkl\u00e4rt Marie Sch\u00f6lmerich. \u201eDiese Anpassungsstrategie scheint also weiter verbreitet zu sein\u201c, lautet ihre Vermutung.<\/p>\n\n\n\n<p>Interessanterweise wurden die beiden Enzymkomplexe (Rnf-und Ech-Komplex) auch in evolutionsbiologisch alten Bakterien gefunden. Die Arbeitsgruppe von Prof. M\u00fcller hat sie eingehend untersucht, aber immer nur einen der beiden Enzymkomplexe gefunden, nie beide zusammen.&nbsp;\u201eJetzt werden wir mit Methoden der synthetischen Mikrobiologie Hybride von Bakterien herstellen, die beide Komplexe enthalten, um diese f\u00fcr biotechnologische Prozesse zu optimieren. Dadurch kann man den zellul\u00e4ren ATP-Gehalt erh\u00f6hen. Dann lassen sich wertvollere Produkte herstellen\u201c, erkl\u00e4rt Prof. M\u00fcller. Geplant ist, die Atmungsketten einzusetzen, um durch die Fermentation von Synthesegasen Wertstoffe zu gewinnen. Dies ist Gegenstand der Untersuchungen in einem BMBF-gef\u00f6rderten Projekt.<\/p>\n\n\n\n<p class=\"has-background has-very-light-gray-background-color\"><strong>Publikation<\/strong>: \u00a0Sch\u00f6lmerich, M.C., Katsyv, A., D\u00f6nig, J., Hackmann, T., M\u00fcller, V. (20XX). Energy conservation involving two respiratory circuits. Proc. Natl. Acad. Sci. 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