Wissenschaftler entdecken den geheimen Treiber des Klimawandels

Die Studie zeigt, dass die Mikroorganismen nach der Infektion neue Methan erzeugende Gene enthalten.

Eine aktuelle Studie zeigt, dass Viren, die Mikroben infizieren, zum Klimawandel beitragen, indem sie eine Schlüsselrolle beim Kreislauf von Methan, einem starken Treibhausgas, durch die Umwelt spielen.

Durch die Analyse von fast 1000 Metagenomik-Gruppen DNA Anhand von Daten aus 15 verschiedenen Lebensräumen, die von verschiedenen Seen bis zum Inneren des Magens einer Kuh reichen, fanden die Forscher heraus, dass mikrobielle Viren spezielle genetische Elemente zur Steuerung von Methanprozessen tragen, die sogenannten akzessorischen Stoffwechselgene (AMGs). Je nachdem, wo Organismen leben, kann die Anzahl dieser Gene variieren, was darauf hindeutet, dass die potenziellen Auswirkungen von Viren auf die Umwelt auch je nach Lebensraum unterschiedlich sind.

„Diese Entdeckung trägt entscheidend dazu bei, besser zu verstehen, wie Methan in verschiedenen Ökosystemen interagiert und sich bewegt“, sagte Zhiping Zhong, Hauptautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Byrd Polar and Climate Research Center der Ohio State University.

„Es ist wichtig zu verstehen, wie Mikroorganismen Methanprozesse vorantreiben“, sagte Zhong, der auch Mikrobiologe ist und in seiner Forschung untersucht, wie sich Mikroben in verschiedenen Umgebungen entwickeln. „Mikrobielle Beiträge zum Methanstoffwechsel werden seit Jahrzehnten untersucht, aber die Forschung im Virusbereich ist noch weitgehend unzureichend erforscht und wir wollen mehr erfahren.“

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

Die Rolle von Viren bei Treibhausgasemissionen

Viren haben dazu beigetragen, alle ökologischen, biogeochemischen und evolutionären Prozesse auf der Erde voranzutreiben, aber Wissenschaftler haben erst vor relativ kurzer Zeit damit begonnen, ihre Zusammenhänge mit dem Klimawandel zu erforschen. Beispielsweise ist Methan nach Kohlendioxid der zweitgrößte Verursacher von Treibhausgasemissionen, wird jedoch größtenteils von einzelligen Organismen namens Archaeen produziert.

„Viren sind die am häufigsten vorkommende biologische Einheit auf der Erde“, sagte Matthew Sullivan, Co-Autor der Studie und Professor für Mikrobiologie am Center for Microbiome Sciences der Ohio State. „Hier erweitern wir unser Wissen über ihre Auswirkungen, indem wir die Gene des Methanzyklus zu der langen Liste der Gene hinzufügen Virus– Kodierte Stoffwechselgene. Unser Team wollte herausfinden, wie stark der „mikrobielle Stoffwechsel“ von Viren während einer Infektion tatsächlich manipuliert wird.

Obwohl die entscheidende Rolle, die Mikroben bei der Beschleunigung der globalen Erwärmung spielen, inzwischen gut bekannt ist, weiß man wenig darüber, wie Gene, die mit dem Methanstoffwechsel in Zusammenhang stehen und von Viren kodiert werden, die diese Mikroben infizieren, die Methanproduktion beeinflussen, sagte Zhong. Die Lösung dieses Rätsels veranlasste Zhong und seine Kollegen dazu, fast ein Jahrzehnt damit zu verbringen, mikrobielle und virale DNA-Proben aus einzigartigen mikrobiellen Reservoirs zu sammeln und zu analysieren.

Einer der wichtigsten Orte, die das Team für die Untersuchung ausgewählt hat, ist der Vrana-See, der Teil eines Naturschutzgebiets in Kroatien ist. In den methanreichen Seesedimenten fanden Forscher eine Fülle mikrobieller Gene, die die Methanproduktion und -oxidation beeinflussen. Darüber hinaus erforschten sie verschiedene Virusgemeinschaften und entdeckten 13 Arten von AMGs, die dabei helfen, den Stoffwechsel ihres Wirts zu regulieren. Es gebe jedoch keine Hinweise darauf, dass diese Viren selbst direkt Gene für den Methanstoffwechsel codieren, was darauf hindeutet, dass die potenzielle Auswirkung von Viren auf den Methankreislauf je nach Lebensraum unterschiedlich sei, sagte Zhong.

Auswirkungen auf Vieh und Umwelt

Insgesamt ergab die Studie, dass eine größere Anzahl von AMGs für den Methanstoffwechsel eher in wirtsassoziierten Umgebungen wie dem Inneren des Magens einer Kuh zu finden ist, während weniger dieser Gene in Umweltlebensräumen wie Seesedimenten zu finden sind. Da Kühe und andere Nutztiere auch für etwa 40 % der weltweiten Methanemissionen verantwortlich sind, deuten ihre Arbeiten darauf hin, dass die komplexe Beziehung zwischen Viren, Organismen und der Umwelt insgesamt möglicherweise komplexer miteinander verbunden ist, als Wissenschaftler bisher angenommen haben.

„Diese Ergebnisse legen nahe, dass die globalen Auswirkungen von Viren unterschätzt werden und mehr Aufmerksamkeit verdienen“, sagte Zhong.

Obwohl unklar ist, ob menschliche Aktivitäten die Entwicklung dieser Viren beeinflusst haben, erwartet das Team, dass neue Erkenntnisse aus dieser Arbeit das Bewusstsein für die Macht von Infektionserregern schärfen werden, die alles Leben auf der Erde bevölkern. Um jedoch weiterhin mehr über die internen Mechanismen dieser Viren zu erfahren, seien weitere Experimente erforderlich, um mehr über ihren Beitrag zum Methankreislauf auf der Erde zu verstehen, sagte Zhong, insbesondere da Wissenschaftler daran arbeiten, Wege zu finden, die durch Mikroben verursachten Methanemissionen zu verringern.

„Diese Arbeit ist ein erster Schritt zum Verständnis der viralen Auswirkungen des Klimawandels“, sagte er. „Wir müssen noch viel lernen.“

Referenz: „Das virale Potenzial zur Modulation des mikrobiellen Methanstoffwechsels variiert je nach Lebensraum“ von Zhi-Ping Zhong, Jingjie Du, Stephan Köstlbacher, Petra Pjevac, Sandi Orlić und Matthew B. Sullivan, 29. Februar 2024, Naturkommunikation.
doi: 10.1038/s41467-024-46109-x

Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation, der Croatian Science Foundation, der Gordon and Betty Moore Foundation, der Hysing-Simons Foundation, der Europäischen Union und dem US-Energieministerium unterstützt. Zu den Co-Autoren gehören Jinji Du vom Ohio State sowie Stefan Kostelbaker und Petra Bejevac von der Universität Wien und Sandy Orlich vom Ruder Boškovitch Institute.