Novel deep branching Cu-containing membrane-bound monooxygenases: distribution and function

Das Schlüsselenzym der aeroben Methan Oxidation ist die partikuläre Methan Monooxygenase (pMMO). Sie gehört zur großen Familie der Kupfer-abhängigen membran-gebundenen Monooxygenasen (CuMMO). Die Gene des pMMO Operons können in mehreren Kopien im Genom von methanotrophen Bakterien vorliegen. Einige davon kodieren für pMMO Isoenzyme mit alternativen Funktionen. A neues Isoenzym (pXMO) wurde vor kurzem in einigen Alpha- und Gammaproteobacterien gefunden. pxmA Sequenzen dieses Enzyms fallen nicht in phylogenetische Gruppen charakterisierter pmoA Sequenzen, sondern in eine Gruppe von Umweltsequenzen (M84_P105), die zu den entfernt verwandten CuMMOs (iCuMMO) gehört. Um die Verbreitung von pxmA Sequenzen in methanotrophen Reinkulturen und in der Umwelt zu untersuchen, wurden Primer hergestellt, die spezifisch für einige iCuMMO Gruppen (inklusive der M84_P105 Gruppe) sind. Mit diesen neuen Primern konnte die pxmA in mehreren Methylomonas, Methylobacter und Methylosarcina Stämmen methylotropher Gattungen nachgewiesen werden. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass pxmA Sequenzen in verschieden Umwelten weit verbreitet sind und häufig vorkommen. Fast alle iCuMMO Gruppen besitzen keine Vertreter von Reinkulturen. Darum sind nur wenige Sequenzinformationen vorhanden, was die Untersuchungen der iCuMMO schwierig gestaltet. Eine Hybridisierungsmethode basieren auf magnetischen Sonden (magnetic capture hybridization, MCH) wurde entwickelt, um zusätzliche Sequenzinformationen zu erhalten. Diese Methode umgeht den Gebrauch von Primern und kann im Idealfall lange Sequenzen liefern, die auch Informationen über die Operonstruktur der iCuMMOs enthalten können. Die physiologische Funktion der iCuMMO ist nicht bekannt. Aufgrund einer phylogenetischen Verwandtschaft von pxmA Sequenzen zu Sequenzen, die mit der Alkane Oxidation in Verbindung gebracht werden, wurde vermutet, dass pxmA Sequenzen auch darin involviert sein könnten. Inkubationsexperimente mit Reinkulturen und Umweltproben lassen jedoch darauf schließen, dass dies nicht der Fall ist. Reinkultur Inkubationen weisen vielmehr darauf hin, dass pxmA Sequenzen an der Oxidation von Methan beteiligt sind. Um diese Hypothese zu bekräftigen müssen allerdings weitere Experimente durchgeführt werden. Die physiologische Funktion andere iCuMMO ist weiterhin unbekannt. Die iCuMMO wurden bislang wenig beachtet. Diese Studie zeigt allerdings, dass sie weit verbreitet sind und möglicherweise eine wichtige Rolle im globalen Elementkreislauf spielen. Methanotrophe Bakterien wurden lange für obligat gehalten. Aber fakultative Methanotrophe wurden gefunden, die zu den Typ II Methanotophen gehören und Substrate mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen wie Acetat, Pyruvat, Succinat, Malat und Ethanol verwerten können. In dieser Studie konnten wir zeigen, dass Typ II Methanotrophe eine Rolle beim Abbau von kurzkettigen Alkanen in Reisfeldböden spielen. Ob sie diese direkt verwerten oder ob sie Abbauprodukte der Alkane verwerten, die von anderen Bakterien zur Verfügung gestellt wurden, kann nicht abschließend geklärt werden. Jedoch zeigt diese Studie, dass die Beschränkung der Rolle der Methanotrophen auf wenige Substrate und spezifische physiologische Funktionen erweitert werden muss.