Produktion und Verbrauch von Distickstoffmonoxid durch Nitrat-ammonifizierende Mikroorganismen - eine genomweite Transkriptomanalyse

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Simon
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418104137

Distickstoffmonoxid (N2O; Lachgas) ist ein wirkungsvolles atmosphärisches Treibhausgas und trägt zur Verminderung der Ozonkonzentration in der Stratosphäre bei. Anthropogene N2O-Emissionen werden hauptsächlich durch Mikroorganismen in landwirtschaftlich genutzten Böden verursacht und durch die Verwendung von stickstoffhaltigen Düngemitteln gesteigert. Viele verschiedene mikrobielle Stoffwechselwege tragen zur N2O-Bildung in verschiedenen Habitaten bei, und es wurden zahlreiche N2O-generierende Enzyme beschrieben. Andererseits gibt es lediglich eine bekannte N2O-Reduktase, die N2O zu reduzieren vermag, wobei Distickstoff (N2) als Produkt entsteht.Die mikrobielle Bildung von N2O aus Nitrat unter anoxischen Bedingungen ist das Produkt von Denitrifikation oder dissimilatorischer Nitrat-Reduktion zu Ammonium (DNRA). Denitrifizierer reduzieren Nitrat zu N2 über die Intermediate Nitrit, Stickstoffmonoid (NO) und N2O, wobei der finale Schritt der N2O-Reduktion auch fehlen kann. Im DNRA-Prozess wird N2O offenbar als Nebenprodukt der Detoxifizierung von Nitrit und NO gebildet. Einige DNRA-Organismen enthalten auch eine N2O-Reduktase, deren Rolle für die Umwelt aber unklar ist.In diesem Projekt sollen molekulare Grundlagen der Produktion und des Verbrauchs von N2O durch die DNRA-Modellorganismen Wolinella succinogenes und Bacillus vireti charakterisiert werden. Beide Organismen produzieren NO in Gegenwart hoher Nitratkonzentrationen und wachsen durch Lachgas-Atmung. Das Projekt konzentriert sich auf die Regulation der beteiligten Enzymausstattungen durch die Durchführung einer genomweiten Transkriptomanalyse. Dazu soll eine RNA-Sequenzierung von Wildstamm- und Mutantenzellen durchgeführt werden, die unter verschiedenen Atmungsbedingungen vermehrt wurden, optional auch in Anwesenheit von zugesetztem NO oder N2O. Die Analyse der Genexpressionsdynamik wird Regulons definieren, die die Nitrat-Ammonifikation, die NO-Reduktion, die nitrosative Stressantwort, die N2O-Bildung und die N2O-Atmung determinieren. Auch die bisher beispiellose Eigenschaft der N2O-Sensierung durch Zellen von W. succinogenes wird untersucht. Zusätzlich zu den mRNA-Daten wird die RNA-Sequenzierung auch erstmalig die Häufigkeiten nicht-kodierender regulatorischer RNAs wie sRNAs oder Antisense-Transkripte bestimmen. Das Projekt ist synergistisch zum bestehenden Projekt („Produktion und Verbrauch von Distickstoffmonoxid durch Nitrat-ammonifizierende Mikroorganismen“) geplant, in dem gentechnische Arbeiten mit solchen der mikrobiellen Physiologie und Biochemie vereint werden und das modernste Bestimmungsmethoden für gasförmige Produkte in bakteriellen Kulturen verwendet.Das Projekt wird die Kenntnisse über DNRA-Organismen in Bezug auf die Freisetzung und den Verbrauch von atmosphärischem N2O erweitern. Es wird erwartet, dass die Ergebnisse für zukünftige Strategien zur Verminderung von Treibhausgasen im Rahmen des globalen Klimawandels von Bedeutung sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen