Almanya’nın Bremen kentindeki Max Planck Deniz Mikrobiyolojisi Enstitüsü’nden bilim insanları, biyoyakıt üretiminde heyecan verici fırsatlara kapı aralayan bir keşfe imza attılar. Metan üreten bir mikrobun moleküler açıdan gizemlerini ortaya çıkardılar.
Söz konusu keşif, tüm dünyada metanın yarısını üreten ‘metanojen’ mikroplarından birinin kükürt elde etmek için kullandığı mekanizmaya dayanıyor.
Mikrobiyal eğitim
Kükürt, yaşamın temel bir unsurudur ve tüm canlı organizmaları buna ihtiyaç duyuyor. Bitkiler ve algler gibi ototrofik maddeler, sülfatı sülfide dönüştürerek kükürt elde ediyor. Ancak bu süreç çok fazla enerji gerektiriyor ve hemen dönüştürülmesi gereken zararlı ara ürünler ve yan ürünler ortaya çıkarıyor. Daha önce metanojenler olarak bilinen ve genellikle enerjileri kısa olan mikropların sülfatı sülfide dönüştüremeyeceğine inanılıyordu. Bu nedenle tüm dünyadaki metan gazının yarısını üreten bu mikropların, sülfür gibi diğer kükürt formlarına dayandıkları varsayılıyordu.
Bu inanç, 1986 yılında tek kükürt kaynağı olarak sülfat üzerinde büyüyen metanojen ‘Methanothermococcus thermolithotrophicus’un keşfiyle yok oldu. Ardından şu sorular ortaya çıktı: Enerji maliyetleri ve toksik ara maddeler dikkate alındığında bu nasıl mümkün olabilir? Neden bu mikrop, bu tür kükürtler üzerinde büyüyebilen tek metanojen? Bu organizma sülfat asimilasyonuna izin vermek için kimyasal hileler mi yoksa henüz bilinmeyen bir strateji mi kullanıyor?
Max Planck Deniz Mikrobiyolojisi Enstitüsü’nden Marion Jespersen ve Tristan Wagner, bu soruların yanıtlarını buldu ve 5 Haziran’da Nature Microbiology dergisinde yayımladı.
Şarku’l Avsat’ın edindiği bilgilere göre araştırmacıların karşılaştığı ilk zorluk, mikrobun yeni kükürt kaynağında büyümesini sağlamak oldu. Araştırmacılar, methanothermococcus thermolithotropicus mikrobunu sülfitler yerine sülfatları yemesi için yönlendirmek zorunda kaldı. Besleme ortamını iyileştirmek için yapılan birkaç deneyden sonra mikrop, sülfit yetiştiren mikroplara benzer bir hücre yoğunluğuna sahip olan sülfat yetiştirmeye başladı.
Jespersen enstitünün internet sitesinde çalışmayla eş zamanlı olarak yayınlanan bir raporda konuya ilişkin şu açıklamaya yer verildi:
“Organizma büyüyüp, araştırmacıların mikrobu büyük ölçekli biyoreaktörlerde güvenli bir şekilde görüntülemeye imkan sağladığı sırada sülfatın yok oluşunu ölçtüğümüzde işler gerçekten heyecan verici bir hal aldı. Artık büyümek zehirli, patlayıcı hidrojen sülfit gazını kullanmak zorunda olmayan araştırmacılar, artık temel süreçlerin ayrıntılarını araştırmaya hazır hale geldi.”
İlk moleküler anatomi
Sülfat asimilasyonunun moleküler mekanizmalarını anlamak için bilim adamları methanothermococcus thermolithotrophicus’un genomunu analiz etti. Bunun sonucunda sülfat indirgeme ile ilişkili enzimleri kodlama potansiyeline sahip 5 gen tespit edildi. Max Planck Araştırma Grubu Başkanı ve araştırmaya katılan bilim insanlarından Tristan Wagner yaptığı açıklamada, “Bu enzimlerin her birini karakterize edebildik ve tam yolu keşfettik” dedi.
Bilim insanları, enzimleri birer birer karakterize ederek, bir metanojenden ilk sülfat asimilasyon yolunu bir araya getirdi. Yolun ilk iki enzimi iyi bilinmesine ve birçok mikropta ve bitkide bulunmasına rağmen, sonraki enzimler yeni bir türdendi. Jespersen “Methanothermococcus thermolithotrophicus’un sülfat indirgeyen bir organizmadan bir enzimi kaçırmış ve onu kendi ihtiyaçlarına göre hafifçe değiştirmiş gibi göründüğünü tespit edince şaşırdık” açıklamasında bulundu.
Bazı mikropların sülfatı hücresel bir yapı taşı olarak özümlerken, bazıları oksijeni solurken insanların yaptığı gibi, onu disimilasyon sürecinde enerji elde etmek için kullandığı görüldü. Jespersen konuya ilişkin şunları söyledi:
“Burada incelenen metanojen, bu trans-enzimlerden birini meta-enzimlere dönüştürdü. Basit ama oldukça etkili bir strateji ve büyük olasılıkla bu metanojenin sülfat üzerinde büyüyebilmesinin nedenidir. Şimdiye kadar, bu özel enzim yalnızca methanothermococcus thermolithotropicusta bulundu ve başka hiçbir metanojende bulunmadı.”
Ancak Şarku’l Avsat’ın edindiği bilgilere göre bununla birlikte, bu mikrop sülfatın özümsenmesi sırasında oluşan iki zehirle de baş etmek zorunda kalıyor. Yolun son iki enziminden ilki, bir yine disimilasyon enzime benzer, sülfitten sülfit ortaya çıkarıyor. İkincisi ise kısaca PAP olarak bilinen diğer zehri hidrolize etmede güçlü etkinliğe sahip yeni bir fosfataz türü üretiyor.
Wagner açıklamasını şöyle sürdürdü:
“Methanothermococcus thermolithotropicus’un mikrobiyal ortamından sülfat üzerinde gelişmesini sağlayan genetik bilgileri topladığı sonrasında asimilasyon ve aralayıcı enzimleri karıştırıp eşleştirerek, kendi sülfat azaltıcı fonksiyonel mekanizmasını yarattığı görülüyor.”
Methanothermococcus thermolithotropicus, hidrojen ve karbon dioksiti metana dönüştürme konusunda inanılmaz bir yeteneğe sahip görünüyor. Bu da sera gazını (karbondioksit) örneğin evlerimizi ısıtmak için kullanılabilen biyoyakıta (metan) dönüştürebileceği anlamına geliyor.
Wagner açıklamasını şöyle sonlandırdı:
“Diğer metajenlerin bunu yapabilmeleri için büyük biyoreaktörler yetiştirilmesi gerekir. Metanojenlerin yetiştirilmesine yönelik diğer bir sıkıntı, bir kükürt kaynağı olarak oldukça tehlikeli ve patlayıcı hidrojen sülfit gazına ihtiyaç duyulmasına dayanır. Bir mikropta (Methanothermococcus thermolithotropicus) sülfat emilim yolunun keşfedilmesi ile, biyoteknolojide zaten kullanılan metanojenleri genetik olarak tasarlamak mümkün olur, bu da daha güvenli ve daha uygun maliyetli biyogaz üretimine kapı aralar.”
