 |
The role of the hydrogenase enzymes in the methane production of hydrogenotrophic methanogens
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
123902 |
| Type |
FK |
| Principal investigator |
Bagi, Zoltán |
| Title in Hungarian |
Hidrogenáz enzimek szabályozó szerepe a hidrogenotróf metanogének metán termelésében |
| Title in English |
The role of the hydrogenase enzymes in the methane production of hydrogenotrophic methanogens |
| Keywords in Hungarian |
hidrogén, hidrogenáz, hidrogenotróf, metanogén, metán |
| Keywords in English |
hydrogen, hydrogenase, hydrogenotroph, methanogen, methane |
| Discipline |
| Microbiology: virology, bacteriology, parasitology, mycology (Council of Medical and Biological Sciences) | 70 % | | Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Molecular biology |
|
| Panel |
Immunity, Cancer and Microbiology |
| Department or equivalent |
Department of Biotechnology and Microbiology (University of Szeged) |
| Participants |
Kakuk, Balázs
Szuhaj, Márk
|
| Starting date |
2017-09-01 |
| Closing date |
2021-02-28 |
| Funding (in million HUF) |
29.843 |
| FTE (full time equivalent) |
4.88 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az anaerob biodegradáció, és a folyamat során keletkező biogáz a szerves hulladékok kezelésének egyik legígéretesebb módja. A metanogén törzsek egyedi metabolizmussal rendelkeznek, képesek a hidrogént és szén-dioxidot, formátot, metilált C1 komponenseket, acetátot felhasználni szén és energia forrásként növekedésükhöz. Korábbi méréseink bebizonyították, hogy a hidrogénnek fontos szerepe van az anaerob lebontási folyamatban. A metanogének biológiai aktivitása nagy mennyiségű hidrogént igényel, hogy a redox reakcióik megfelelően le tudjanak zajlani. A hidrogénből és szén-dioxidból történő metán képzés első lépését a formilmetanofurán-dehidrogenáz enzim végzi a hidrogenotróf metanogének csoportjában. Egyéb hidrogenáz enzimek is jelen vannak metanogén törzsekben, mint az F420-redukáló hidrogenáz, a F420-nemredukáló hidrogenáz, az Ech hidrogenáz, valamint a F420 H2 dehidrogenáz. Ez az élővilágban egyedülálló rendszer az evolúció korai szakaszán alakult ki de mai is sikeresen működik. A redox rendszerek az életműködés molekuláris alapjainak meghatározó elemei. A komponenseiben egyszerű, működésében sokkal bonyolultabb redox folyamatok megismerése az alapvető életfolyamatok megértéséhez járulhat hozzá eredményesen. A munka célja meghatározni a hidrogén szabályozó szerepét a biogáz képző rendszerekben résztvevő mikrobák életfolyamataiban és bioenergetikai egyensúlyaiban, vizsgálni a hidrogenáz enzimek génjeinek kifejeződését eltérő körülmények között, valamint új generációs szekvenáló rendszer segítségével vizsgálni tiszta kultúrában és a természetes mikroba közösségekben növesztett metanogén sejtek expressziós profilját.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás fő alapkérdése, hogy a hidrogén milyen szabályozó szerepet játszik a metanogén mikrobák metán termelésében és bioenergetikai anyagcsere folyamataiban. Korábbi kutatási eredményeink alapján tudjuk, hogy a metanogén törszek metán termelésében kulcsszerepet játszik a rendelkezésükre álló hidrogén mennyisége. A hidrogén hasznosításért felelős enzimek a hidrogenázok. A hidrogenáz enzimeket kódoló gének kifejeződését befolyásoló körülmények feltárása új és fontos tudományos alapkutatási eredményekkel és emellett a gyakorlatban is hasznosítható ismertekkel gazdagíthatja tudásunkat. A metanogének energia háztartásának molekuláris szerveződése és szabályozása fontos bioenergetikai elvek tisztázásához vezet várakozásaink szerint.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Korábbi kutatási eredményeink megmutatták, hogy – ha megismerjük a folyamat egyes sebesség meghatározó lépéseinek szerepét, ami esetünkben a rendszerben termelődő hidrogén mennyisége volt – a közösség élete befolyásolható és a biogáz termelés serkenthető. A korábbi kutatásaink jelentőségét abban látjuk, hogy kísérletesen bebizonyosodott: lehetséges a mikroba közösség életébe kívülről, mikrobiológiai, biotechnológiai megközelítéssel úgy beavatkozni, hogy a “spontán” kialakult közösség gyorsabban alakítja át a biomasszát biogázzá. A közelmúltban elvégzett metagenomikai vizsgálatok utólag megerősítették, hogy a hidrogént hasznosító hidrogenotróf metanogéneknek valóban sokkal nagyobb szerepük van a biogáz termelésben, mint korábban gondolták. A hidrogén szabályozó szerepe a biogáz termelő rendszerekben eddig igen kevéssé vizsgált, a gyakorlatban is hasznosítható eredményeink alapvetően empírikus megfigyelésekre épültek. A tervezett vizsgálatok segítségével megérthetjük a hidrogén szabályozó szerepét a metanogén mikrobák metán képzésében és új utakat tárhatunk fel az anaerob mikrobiológiai eseményeket meghatározó redox folyamatok molekuláris szintű szabályozásának megértésében. A kísérletek eredményei segítenek tisztázni a metanogén törzsek membránkötött enzimei által katalizált elektron transzport lánc működését.
Az utóbbi időben a megújuló forrásokból, elsősorban a szél és fotovoltalikus alapon történő elektromos energia előállítás, hazánkban is előtérbe került. Az elektromos hálózat nem rendelkezik pufferkapacitással, az elektromos energia nem tárolható, az esetleges ingadozásokat a rendszer kevésbé tolerálja. Egy lehetséges megoldás a “power to gas” elv használata. Az elektromos áram felhasználásával vízbontás segítségével hidrogén állítható elő, mely biogáz fermentorban metánná alakítható. A metán jól tárolható, a földgázvezetékben szállítható és minden olyan célra felhasználható, melyre a földgáz alkalmas. A hidrogén hatékonyabb átalakításhoz szükséges ismernünk az azt felhasználó mikrobák hidrogenáz enzimeinek működését, melynek ismeretében a metán hozam maximalizálható. Az elméleti, felfedező kutatási eredmények így hamarosan gyakorlati hasznosításban is érvényesíthetőek lesznek.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Széles körben ismert, hogy a világ környezetvédelmi problémákkal küzd a globális klímaváltozás miatt, ezért egyre nagyobb szükség van tehát a megújuló energiahordozókra. Ezek közül kiemelkedik a biogáz termelés, amely egyszerre képes a környezetszennyező hulladékok, melléktermékek ártalmatlanítására és egy sokoldalúan hasznosítható energiahordozó, a magas metántartalmú biogáz előállítására. A levegőtől elzárt környezetben spontán kialakuló, több száz különféle mikrobából álló közösségek viszonylag alacsony hatékonysággal termelik a biogázt, ezért a technológia ma még önmagában ritkán versenyképes. A biomassza átalakítását végző mikroba közösségekről kevés ismeret áll a rendelkezésünkre, mert a klasszikus mikrobiológiai módszerekkel ilyen bonyolult rendszerek nehezen vizsgálhatók. A modern molekuláris biológiai technikák rohamosan fejlődnek, segítségükkel megismerhetjük a mikroba közösségek tagjait, a biogáz termelésének folyamatában szerepet játszó enzimeket. Ebből a közösség egészének összetett működésére vonatkozó információkat nyerhetünk. A kutatásban biogáz termelő mikrobákat, mikroba közösségeket tanulmányozunk, ezért a megszerzett tudományos ismeretek rövid úton gyakorlati hasznosítást is nyerhetnek. Ezeket a hasznosítási lehetőségeket ma még azért nem tudjuk kihasználni, mert nem ismerjük pontosan azokat a meghatározó biokémiai, molekuláris biológiai folyamatokat, amelyek a reakciósort limitáló metanogénekben zajlanak le. A metanogének hidrogén anyagcseréje az élővilágban egyedi folyamatok, amelyek működésének és szabályozásának tisztázása a bioenergetika alapkérdéseinek megválaszolásához járulhat hozzá.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Anaerobic digestion (AD) with concomitant biogas production is an environmentally attractive technology for the treatment of organic waste. Methanogenic archaea have an unusual type of metabolism because they use hydrogen and carbon-dioxide, formate, methylated C1 compounds, or acetate as energy and carbon sources for growth. The methanogens produce methane as the major end product of their metabolism in a unique energy-generating process. Our previous studies demonstrated that hydrogen has an important role in the anaerobic digestion process. The biological activity of methanogens requires a good supply of hydrogen to carry out the redox reaction. The series of reactions involved in methane formation from hydrogen and carbon-dioxide are initiated by the formylmethanofuran dehydrogenase enzyme which is found int the group of hydrogenotrophic methanogens. Other hydrogenases are found in the H+ translocating system of the methanogens, like F420-reducing hydrogenase, F420-nonreducing hydrogenase, Ech hydrogenase, F420H2 dehydrogenase. This unique system was developed in the early phase of the evolution, but it still works properly. The redox systems are one of the main components of the molecular systems in archaeal and bacterial cells. Investigation of the redox reactions help us to understand the basic life pocesses. Our goal is to determine the regulatory role of the hydrogen in a biogas forming system, examining the expression level of the hydrogenase genes under different conditions. In pure cultures the expression profile of the cells will be investigated with next generation sequencing method.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The central question to be answered in the planned research program is the regulatory role of the hydrogen in methane formation and in the bioenergetical metabolic pocesses in methanogenic strains. Our previous studies demonstrated that hydrogen has an important role in the activity and methane production of the hydrogenotrophic methanogens. The key enzymes in the hydrogen conversion are the hydrogenases. The exploration of the biochemical details, which affect the expression of the hydrogenase genes will increase our knowledge of the basic research events involved. The results will also be exploited in improving biogas production efficiency. The molecular organization and regulation of the energetical system in methanogenic strains helps us to clear up main bienergetical principles.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Earlier studies conducted in our laboratory demonstrated that identification of certain rate limiting steps, which was the availability of hydrogen in our case, in the overall process the community performance can be improved and biogas production can be intensified by applying relatively simple biotechnological measures. Our papers published in the scientific literature were recognized by the expert community and the patent filed has been acquired by one of the largest international biogas companies. The importance of these previous studies is in providing experimental evidence for the rational intervention and making the microbial community able to decompose biomass faster than the biogas generating “spontaneous” microbial population. Incidentally, recent metagenomic results corroborated the importance of hydrogen consuming hydrogenotrophic methanogens in biogas formation. The precise regulatory role of the hydrogen has not been examined in a biogas forming natural consortium. The results of the planned study help us to understand the regulatory role of the hydrogen in the methane formation of methanogens, and it is possible that discover new molecular pathways in the regulation of the redox systems in anaerob microbes. The result of the experiments help us to understand the redox reactions as catalyzed by the membrane-bound electron transport chains coupled to proton translocation across the cytoplasmic membrane.
Throughout the world renewable electricity production, primarily form wind and photovoltaic conversion, is increasing rapidly. The electricity grid being not flexible enough to buffer the fluctuations in the input renewable electricity as environmental conditions change. One possible solution is the introduction of the “power to gas” principle. This comprises the conversion of electricity, which is difficult to store, in the well-known water electrolysis process and then conversion of the produced hydrogen to methane in anaerobic digesters. Methane is conveniently stored and transported in the natural gas grid system. For the most efficient conversation of hydrogen we have to investigate the enzymes involved in the conversation of hydrogen to methane to maximize the methane production.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
It is widely recognized that environmental problems are accumulating as a result of global climate change due to the excessive use of fossil fuels. The fossil fuel prices are rising due to depleting resources. These considerations call for renewable energy carriers. Biogas is one of them, its outstanding property is the combination of elimination of organic waste with the production of a gas that eventually can be used in all areas we utilize fossil natural gas today. Biogas can be made from almost any kind of biomass and the decomposition of the substrates is done by an array of various beneficial microbes under anaerobic (air excluded) conditions. The process works with a modest efficacy, which renders biogas production economically not yet competitive. Little is known about the fine details of the relationships among members of the community thus the system is understood only in a broad sense. This is mostly due to the limitations of the toolbox of classical microbiology. The modern molecular methods develop rapidly and recent progress helps us to investigate complicated systems with high resolution, such as those leading to biogas formation. The new techniques allow the expansion of our knowledge by providing hitherto unexplored information. We selected biogas producing microbial strains, microbe communities for our studies hence the know-how obtained from this work can also be directly applied in large-scale facilities.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
