Methanosarcina
 | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||||||||
| Rendszertani besorolás | ||||||||||||||
| ||||||||||||||
| Fajok | ||||||||||||||
| Hivatkozások | ||||||||||||||
 A Wikifajok tartalmaz Methanosarcina témájú rendszertani információt.  A Wikimédia Commons tartalmaz Methanosarcina témájú kategóriát. |
A Methanosarcina a Methanosarcinaceae családba tartozó metántermelő Archaea nem. Az archeák – ősbaktériumok – egysejtű, sejtmag nélküli prokarióta szervezetek. Az egyetlen ismert anaerob metanogén egysejtű ami mindhárom metanognezis anyagcsere utat használja a metán előállításához. Különböző környezetekben él, ahol biztonságban van az oxigéntől: a föld felszínén, a talajvízben, a mélytengeri kürtőknél, és az állatok emésztőrendszerében. Kolóniákban nő.
A Methanosarcina barkeriben fedezték fel a pirrolizin nevű aminosavat. A hemoglobin primitív verzióit fedezték fel a M. acetivoransban, ami arra utal, hogy a mikróba vagy az őse lehet hogy döntő szerepet játszott a földi élet evolúciójában. Továbbá a faj genomja szokatlanul nagy, a legnagyobb az ismert Archaea genomok közül.
Egy 2014-ben megjelent elmélet szerint a Methanosarcina felelős nagyrészt a legsúlyosabb kihalási eseményért a perm-triász kihalási eseményért. Az elmélet szerint egy cellulózbontó baktériumtól géntranszferrel egy új anyagcsere útra tett szert. Ami lehetővé tette hogy exponenciálisan elszaporodjanak a tengeri üledékben. Ezáltal rendkívül megnövekedett az óceánok és légkör metán és szén-dioxid szintje. Ami kiváltotta a fajok 90%-nak kihalását. Ez az elmélet jobban magyarázza a megfigyelt szénizotóp szintet a lerakódásokban mint más elméletek, például a vulkáni tevékenység.
Az 1980-as évek óta használják a fajait szennyvíztisztítóként. A kutatók kísérleteznek vele hogy alternatív energiaforrásként használják.
Leírása[szerkesztés]
Az egyetlen ismert anaerob metanogén egysejtű, ami mindhárom metanognezis anyagcsere utat használja a metán előállításához. Mint a legtöbb metanogén, metánt állít elő széndioxidból és hidrogénből. De más metanogénekhez hasonlóan előállíthatja a metánt acetátból az acetiklasztikus útvonalon. Továbbá metabolizálják a metilezett egyszénatomos vegyületeket metilotróf metanogenezisen keresztül. Az ilyen vegyületek közé tartoznak a metilaminok, a metanol és a metil-tiolok.[1]
A nem fajai a legdiverzebb metanogének ökológiai szempontból. Előfordul: hulladéklerakókban, szennyvízben, mélytengeri kürtőknél, mély felszín alatti talajvízben, és sokféle patás bélrendszerében, például szarvasmarhákban, juhokban, kecskékben és szarvasokban. Előfordul az emberi emésztőrendszerben. A Methanosarcina barkeri túléli a szélsőséges hőmérsékleti ingadozásokat és a vízhiányt huzamosabb ideig. Különböző vegyületeket fogyaszt, de képes a túlélésre kizárólag hidrogénnel és szén-dioxiddal is. Képes túlélni az alacsony pH-jú környezetben, amely jellemzően veszélyes az életre. Extrém sokoldalúsága miatt Kevin Sowers biológus szerint életben maradna a Marson.[2] A Methanosarcina fajok kolóniákban nőnek és primitív sejtdifferenciálódást mutatnak.
2002-ben a Methanosarcina barkeriben fedezték fel a pirrolizin nevű aminosavat a Ohio State University kutatói.[3] A csapat korábbi kutatásai szerint egy génjében megtalálható UAG kodon nem jelzi a fehérje végét, mint normálisan várható lenne. A pirrolizin volt az első 1986 óta felfedezett aminosav, és összességében a 22.[4] Később az egész Methanosarcinaceae családban megtalálták és a Desulfitobacterium hafniense nevű baktériumban.
A M. acetivoransnak és a M. mazeinek kivételesen nagy genomja van. Az M. acetivorans genomja a legnagyobb az ismert Archaea genomok közül: 5.751.492 bázispár hosszú. Az M. mazei genomja 4.096.345 bázispár hosszúságú.
A Methanosarcina sejtmembránok viszonylag rövid lipidekből állnak, főleg C25 szénhidrogénekből és C20 éterekből. A többi metanogén sejtmembránja főleg C30 szénhidrogénekből és C20 és C40 éterek keverékéből áll.[5][6]
Szerepe a földi élet korai szakaszának fejlődésében[szerkesztés]
2004-ben a hemoglobin két primitív változatát fedezték fel a M. acetivoransban és egy másik archeában, a Aeropyrum pernixban.[7] Az úgynevezett protoglobinok a hemoglobinhoz hasonlóan tudják megkötni az oxigént. Az M. acetivoransban az lehetővé tette a nem kívánt oxigén eltávolítását, amely egyébként toxikus erre az anaerob szervezetre. A protoglobinok így utat nyithattak az oxigéntől függő életformák későbbi evolúciója felé.[8] Miután a nagy oxigenizációs esemény során először szabad oxigén került a légkörbe, az oxigéntűrés az élet széles körű szétterjedéséhez vezetett a földi életformák evolúciójának egyik legalapvetőbb szakaszában.
A Pennsylvania State University James G. Ferry és Christopher House által vezetett kutatói egy új M. acetivorans által inspirált termodinamikai evolúciós elméletet javasoltak 2006-ban. A tudósok tanulmányozták, hogy a M. acetivorans hogyan konvertálja a szénmonoxidot acetáttá, és feltételezték, hogy a korai proto sejtek hasonló primitív ásványtartalmú enzimekkel állították elő az energiát acetát kiválasztásával. Az elmélet alátámasztaná az élet korai evolúciójának heterotróf elméletét, amely szerint az ősleves egyszerű molekulái nem biológiai folyamatokból keletkeztek, és a kemoautotróf elméletet, amely szerint a legkorábbi életformák hozták létre a legegyszerűbb molekulákat. A szerzők szerint a heterotróf és a kemoautotróf elmélet közötti különbség a szén megkötése körül forog, de szerintük anyagcsere-útvonalak alakultak ki az energiaszerzéshez, majd aztán alakult a szén megkötése. A tudósok javasoltak mechanizmusokat, amelyek lehetővé tették volna az ásványhoz kötött proto sejt szabadon élővé válását, és a metán előállítására irányuló acetát anyagcsere evolúcióját, azonos energia alapú utak használatával. Úgy vélik, hogy az M. acetivorans az első életformák egyike volt, és a korai proto sejtek közvetlen leszármazottja. A kutatás eredményét a Molecular Biology and Evolutionban tették közzé 2006 júniusában.[9]
Szerepe a perm-triász kihalási eseményben[szerkesztés]
Egy 2012 decemberében felvetett elmélet szerint a Methanosarcina metántermelése lehetett az oka a perm–triász kihalási eseménynek, ahol a becslések szerint a földi élet 90%-a kihalt.[10] 50 Methanosarcina genom genetikai analízise alapján a Methanosarcina 240 ± 41 millió évvel ezelőtt (az érték a becsült időpontja azon Methanosarcina törzsek utolsó közös ősének, amelyek képesek hatékonyan növekedni acetáttal) megszerezte azt a képességet, hogy hatékonyan képes acetátot fogyasztani acetát-kináz és foszfoacetil-transzferáz használatával. A kihalási esemény 252 millió évvel ezelőtt történt. A géneket az enzimekhez egy cellulózbontó baktériumtól szerezte géntranszferrel.
A tudósok szerint ezek az új gének - kombinálva a széles körben rendelkezésre álló szerves szénlerakódásokkal az óceánban, és a bőséges nikkelkínálattal (a nikkel-tetrapirrol koenzim, kofaktor F430, ami a metil-koenzim-M-reduktáz része, ami a metán felszabadulásának végső lépését katalizálja a metanogénekben) - lehetővé tették a Methanosarcina populáció drámai növekedését. Az elmélet szerint ez vezetett a nagy mennyiségű metán kibocsátásához. Ezután más szervezetek széndioxiddá bontották a metánt.[11] A két gáz miatt az óceánok oxigénszintje drasztikusan lecsökkent, és egyre savasabb lett. A földi éghajlat egyszerre tapasztalt emelkedő hőmérsékletet és jelentős éghajlatváltozást az üvegházhatású gázok légkörbe kerülése miatt. Továbbá lehetséges, hogy a légkör magas metán- és széndioxid-szintje kén-hidrogén-kibocsátást eredményezett, ami megmérgezte az élőlényeket.[12]
A perm–triász kihalási eseményt a korábbi elméletek vulkáni aktivitással, globális éghajlatváltozással, és egy aszteroida becsapódásával magyarázták. A mikróba-elmélet hívei azzal érvelnek, hogy vele a szénizotóp-szint gyors, de folyamatos emelkedését az időszak üledéklerakódásaiban jobban magyarázható, mint a vulkáni aktivitással (ami egy gyors kiugrást, majd lassú csökkenést okozott volna).[13] A mikróba-elmélet szerint a vulkáni aktivitás fontos szerepet játszott a Methanosarcina nikkellel való ellátásában, ami egy fontos enzimjének alkotóeleme. Tehát a mikróba-elmélet szerint a szibériai vulkáni aktivitás a katalizátora, de nem közvetlen elsődleges oka volt a tömeges kihalásnak.[14]
Használata[szerkesztés]
1985-ben a Shimizu Corporation kifejlesztett egy bioreaktort, ami Methanosarcina használatával kezeli az élelmiszer-előállító üzemek, és a papírgyárak szennyvizét. A vizet betáplálják a reaktorba ahol a mikrobák lebontják a szemcsés hulladékot. A termelt metánt felhasználják energiaként a reaktorban, így azt olcsó működtetni. A tesztekben a Methanosarcina a hulladék koncentrációját 5000–10 000 ppm-ről 80–100 ppm-re csökkentette. Aztán további kezelés szükséges, hogy befejeződjön a tisztulási folyamat.[15] A Chemistry and Industry jelentése szerint a bioreaktorokban Methanothrix soehngenii vagy Methanosarcina anaerob emésztésének használatával melléktermékként kevesebb iszap termelődik, mint aerob társaiknál. A Methanosarcina reaktorok 35–55 °C között és 6.5–7.5 pH tartományban működnek.[16]
A kutatók arra törekednek, hogy a Methanosarcina metántermelő képességét szélesebb körben használják alternatív energiaforrásként. 2010 decemberében a University of Arkansas kutatói sikeresen egy gént illesztettek az M. acetivoransba, ami lehető tette, hogy lebontsa az észtereket. Érvelésük szerint ez lehetővé tenné, hogy hatékonyabban állítson elő a biomasszából metángázt az energiatermeléshez.[17] 2011-ben kimutatták, hogy a hulladéklerakókban a bomlás közben termelt metán nagyrészt a M. barkeritől származik. A kutatók megállapították, hogy a mikróba képes túlélni az alacsony pH-jú környezetben, és elfogyasztani a savakat, ami megemeli a pH-t, és ezáltal lehetővé teszi az élet szélesebb körű virágzását. Azzal érveltek, hogy eredményeik segíthetnek felgyorsítani az archaea generált metán alternatív energiaforrásként való használatának kutatását.[18]
Források[szerkesztés]
- ↑ (2002) „The Genome of M. Acetivorans Reveals Extensive Metabolic and Physiological Diversity”. Genome Research 12 (4), 532–542. o. DOI:10.1101/gr.223902. PMID 11932238.
- ↑ Michael Schirber. „Wanted: Easy-Going Martian Roommates”, Space Daily, 2009. július 14.
- ↑ „Science Notebook”, The Washington Post, 2002. május 27., A09. oldal
- ↑ (2002. június 1.) „New Amino Acid Discovered” 22.
- ↑ Ian Kerman: Methanosarcina barkeri. (Hozzáférés: 2014. április 9.)
- ↑ G. D. Sprott: The ether lipids of Methanosarcina mazei and other Methanosarcina species, compared by fast atom bombardment mass spectrometry. (Hozzáférés: 2014. április 9.)
- ↑ The National Science Foundation (April 20, 2004). "Oldest Hemoglobin ancestors Offer Clues to Earliest Oxygen-based Life". Sajtóközlemény.
- ↑ „Scientists find primitive hemoglobins”, 2004. április 20.
- ↑ „Methane-Belching Bugs Inspire A New Theory Of The Origin Of Life On Earth”, Space Daily, 2006. május 15.
- ↑ Sara Reardon (2012. december 14.). „Permian mass extinction triggered by humble microbe”. New Scientist (2895).
- ↑ Laura Dattaro. „Biggest Extinction in Earth's History Caused By Microbes, Study Shows”, The Weather Channel, 2014. március 31.. [2014. augusztus 19-i dátummal az eredetiből archiválva] (Hozzáférés: 2014. március 31.)
- ↑ doi:10.1073/pnas.1318106111
- ↑ Steve Connor. „Volcanoes? Meteors? No, the worst mass extinction in history - The Great Dying - could have been caused by microbes having sex”, the Independent, 2014. március 31. (Hozzáférés: 2014. március 31.)
- ↑ Will Dunham. „Methane-spewing microbe blamed in Earth's worst mass extinction”, 2014. március 31.. [2014. április 7-i dátummal az eredetiből archiválva] (Hozzáférés: 2014. március 31.)
- ↑ „Shimizu develops cheap, easy waste water treatment technique”, The Japan Economic Journal, 1985. június 18.
- ↑ (1994. július 1.) „Anaerobic Bioreactors Becoming Economical” 2.
- ↑ University of Arkansas (December 8, 2010). "Researchers Engineer New Methane-production Pathway in Microoganism". Sajtóközlemény.
- ↑ North Carolina State University - Raleigh (April 6, 2011). "Researchers ID Microbe Responsible for Methane from Landfills". Sajtóközlemény.
