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Auch unsere Zellen bilden Methan

Universeller Stoffwechselweg wirft neues Licht auf biogene Methan-Emissionen

Methansynthese
Es gibt einen biochemischen Weg, durch den die Zellen aller Lebewesen Methan produzieren können, wie Forschende entdeckt haben. © Ehmad Chehre/ Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, Ernst

Überraschende Entdeckung: Anders als gedacht bilden nicht nur bestimmte Bakterien das potente Treibhausgas Methan, sondern wahrscheinlich alle Lebewesen – einschließlich des Menschen. Denn auch unsere Zellen besitzen einen biochemischen Mechanismus, durch den bei ganz normaler Stoffwechselaktivität Methan entstehen kann, wie Forschende in „Nature“ berichten. Das klärt einige Rätsel zu biologischen Methanquellen und wirft ein neues Licht auch auf unseren eigenen Stoffwechsel.

Methan ist ein potentes Treibhausgas, das zu rund 40 Prozent von natürlichen Quellen freigesetzt wird. Quellen sind dabei vor allem Feuchtgebiete, Seen, tauender Permafrost, aber auch die Landwirtschaft. Das Gas entsteht dabei durch Mikroorganismen, die unter Luftabschluss bei der Zersetzung organischen Materials Methan bilden – so jedenfalls dachte man bisher.

Anaerobe Mikroben sind nicht die einzigen

Merkwürdig jedoch: Schon vor einiger Zeit haben Wissenschaftler herausgefunden, dass auch einige Cyanobakterien, Pflanzen und Pilze offenbar Methan produzieren können – ganz ohne die Mitwirkung von Mikroben und sogar in Anwesenheit von Sauerstoff. Doch der Mechanismus, durch den diese biogene Methansynthese abläuft, blieb rätselhaft. Zwar vermutete man, dass diese Organismen möglicherweise spezielle Enzyme dafür besitzen, konnte diese aber nie nachweisen.

Jetzt enthüllen neue Analysen ein ganz anderes Bild. Denn Leonard Ernst von der Universität Heidelberg und seine Kollegen haben herausgefunden, wie das Methan in den Zellen dieser Organismen entsteht – und wie erstaunlich weit verbreitet diese neuentdeckte Fähigkeit in Wirklichkeit ist. „Diese Studie ist ein Meilenstein in unserem Verständnis der aeroben Methanbildung in der Umwelt“, sagt Seniorautor Frank Keppler von der Universität Heidelberg.

Über Eisen und freie Radikale zum Methan

Den Anfang ihrer Entdeckung machten Experimente mit dem Bakterium Bacillus subtilis, an dem die Forschenden der Hypothese einer enzymfreien, biochemischen Methanbildung nachgingen. Nach dieser findet in Zellen der meisten Organismen eine sogenannte Fenton-Reaktion statt, bei der durch die Reaktion von reduziertem Eisen mit Wasserstoffperoxid hochreaktive Sauerstoffverbindungen in Form von Hydroxyl-Radikalen entstehen.

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Das Entscheidende dabei: Die so erzeugten Radikale können Methylgruppen (-CH3) von schwefelhaltigen Verbindungen abspalten, aus denen dann in einem weiteren Schritt Methan entsteht – so die Vermutung. Tatsächlich bestätigte sich dies in den Untersuchungen an Bacillus subtilis: In Anwesenheit von Eisen und Dimethylsulfoxid bildeten diese Bakterien selbst in Anwesenheit von Sauerstoff Methan. Anders als zuvor angenommen sind für diese Methanbildung weder spezielle Enzyme noch andere Katalysatoren nötig.

Methansynthese auch in menschlichen Zellen

„Es ist bemerkenswert, dass diese Fenton-getriebene Methansynthese unter normalen Umweltbedingungen stattfindet“, konstatieren Ernst und seine Kollegen. „Das legt nahe, dass diese Reaktionen auch in anderen lebenden Zellen vorkommen.“ Ob das der Fall ist, überprüfte das Team daher an 30 verschiedenen Modellorganismen aus allen Bereichen des Lebensstammbaums.

Lebewesen
Ob Einzeller, Pilz, Pflanze, Säugetier oder Mensch: Tests mit Modellorganismen legen nahe, dass alle Lebewesen zur Methansynthese fähig sind. © Frank Keppler / Pixabay

Und tatsächlich: Vom Darmkeim Escherichia coli über Schimmelpilze, Hefen, Pflanzenzellen bis hin zu Kulturen von tierischen und menschlichen Zellen – überall konnten die Forschenden eine Produktion von Methan nachweisen. Sie kommt offenbar immer dann in Gang, wenn Zellen genügend Eisen, methylierte Schwefel- und Stickstoffverbindungen wie Aminosäuren und oxidierende Moleküle enthalten.

„Universelles Nebenprodukt allen Lebens“

Nach Ansicht der Wissenschaftler belegt dies, dass diese Form der Methanbildung in nahezu jedem Organismus stattfinden kann. „Mit anderen Worten: Methan könnte als universelles Nebenprodukt des Lebens produziert werden“, schreiben Ernst und sein Team. Offenbar schalten Zellen immer dann diesen Reaktionsweg ein, wenn ihre Stoffwechselaktivität hoch ist und sie unter zellulärem Stress stehen.

„Je aktiver die Zelle, desto mehr Methan wird gebildet“, erläutert Ernsts Kollegin Ilka Bischofs. In ihren Experimenten setzten die Testzellen immer dann vermehrt Methan frei, wenn sie durch erhöhte Umgebungstemperaturen oder die Zugabe von Radikalbildenden Substanzen unter Stress gesetzt wurden. In den Zellkulturen stieg die Methanbildung unter solchen Bedingungen im Schnitt um das 1,2- bis 3,2-Fache an. Der Darmkeim Escherichia coli erhöhte die Produktion sogar gut 600fach.

„Diese Wechselwirkung mit physikalischen und chemischen Stressfaktoren würde auch erklären, warum ein einzelner Organismus sehr unterschiedliche Mengen von Methan freisetzen kann“, sagt Keppler.

Neue Sicht auch auf biogene Methan-Emissionen

Diese neuen Erkenntnisse haben weitreichende Bedeutung für unsere Sicht auf den Zellstoffwechsel, aber auch auf die biogenen Methan-Emissionen. Denn dies könnte bedeuten, dass sich die Methanfreisetzung von Lebewesen aller Art unter potenziell stressfördernden Bedingungen wie der Erwärmung im Rahmen im des Klimawandels weiter erhöhen könnte. „Veränderungen in den Umweltbedingungen auf der Erde werden demnach erhebliche Auswirkungen auf die Methan-Emissionen lebender Organismen haben“, schreibt das Team.

Das Wissen um die Methanbildung sogar in menschlichen Zellen könnte hingegen neue diagnostische Möglichkeiten in der Medizin bieten: „Methanschwankungen in der Atemluft des Menschen könnten Hinweise auf das oxidative Stresslevel liefern oder auf Immunreaktionen hindeuten“, so die Forschenden.

Auch die nicht an der Studie beteiligten Wissenschaftler Chang Liu und Jingyao Zhang von der Xi’an Jiaotong Universität in China schätzen die neuen Erkenntnisse als bedeutsam ein: „Die biogene, nicht-enzymatische Methan-Produktion eröffnet neue Weg für die Forschung in einer ganzen Bandbreite von Fachrichtungen, von der Medizin über die Geowissenschaften bis hin zur Astrobiologie“, schreiben sie in einem begleitenden Kommentar. (Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04511-9)

Quelle: Universität Heidelberg, Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie

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