Utslipp av nitrogenoksyder fra bakterier bestemmes av genregulering

Mange bakterier kan bruke nitrogenoksyder som erstatning for oksygen. Kunnskap om genreguleringen av denne prosessen er viktig for å forstå utslippene av klimagassen N2O fra jord, vann og rensesystemer for avløpsvann.

Utslipp av nitrogenoksyder fra bakterier bestemmes av genregulering

Junaid Hassan disputerer 23. september 2015 for graden ph.d. ved NMBU – Norges miljø- og biovitenskapelige universitet med avhandlingen «Exploring the regulation of denitrification and NO and N2O kinetics in Paracoccus denitrificans using simulation modelling».

Mikrober i naturlig miljø utsettes for oksygenmangel i kortere eller lengre perioder. Mange bakterier takler dette ved å bruke nitrogenoksider i stedet for oksygen. Dette kalles denitrifikasjon og er en nøkkelprosess i den globale nitrogensyklusen fordi den tilbakefører nitrogen fra biosfæren til atmosfæren som N2. Prosessen er imidlertid ikke helt «ren»; en viss andel av nitrogenet slipper ut som nitrogenmonoksid (NO) og lystgass (N2O). Begge gassene påvirker atmosfærens kjemi, og N2O er i tillegg en kraftig drivhusgass. Utslippet av disse gassene avhenger av genregulering hos denitrifiserende bakterier. Derfor behøves en bedre forståelse av denne reguleringen.

Lite oksygen trigger produksjon av spesifikke enzymer
Denitrifikasjon forutsetter at bakteriene har de rette enzymene på plass, og disse enzymene er kodet av spesielle gener. Når oksygenkonsentrasjonen synker, vil organismen oversette genkodene til transkripter som så koder for produksjon av de nødvendige enzymene. Dette styres av et regulatorisk nettverk, og her er det mye å forske på.

I doktorgradsarbeidet sitt har Junaid Hassan avklart noen hovedtrekk ved reguleringen hos modellbakterien Paracoccus denitrificans. Arbeidet bidrar til å forstå hvordan gener regulerer utslipp av NO og N2O til atmosfæren.  Ved hjelp av matematisk modellering har Hassan prøvd ut ulike hypoteser for hvordan denne genreguleringen skjer. Arbeidet hans har vært tett knyttet til eksperimentelle studier av Paracoccus denitrificans som utføres ved NMBU Nitrogen Group.

Litt enkelt sagt viser en bakteriekultur en tilsynelatende forbigående «depresjon» etter at oksygenet er brukt opp. Hypotesen har vært at denne litt overraskende «adferden» skyldes såkalt stokastisk genekspresjon, som betyr at genene uttrykkes bare «nå og da» med en viss sannsynlighet.

Produserer svært lite nitrogenoksyder
Modellbakterien produserer ekstremt lite NO sammenlignet med andre bakterier. Her testet Hassan ulike forklaringer, og modelleringen avdekket behov for nye laboratorieforsøk som ble utført av kolleger ved NMBU. Dette var krevende eksperimenter, som kunne utføres takket være en unik kunnskap og instrumentering utviklet av NMBU Nitrogen Group. Tidligere forsøk på forklaringer har strandet fordi man ikke har tallfestet enzymenes egenskaper slik de fungerer i en levende organisme (in vivo), men derimot brukt biokjemiske data som var basert på undersøkelser av ekstraherte enzymer (in vitro).

Før var det vanlig å anta at alle cellene i en homogen bakteriekultur oppfører seg likt, men ofte stemmer ikke dette. Det skjer en differensiering av bakteriecellene på grunn av stokastisk genekspresjon (se ovenfor). Betydningen av dette er klart dokumentert gjennom Hassan’s modellering av respirasjon hos Paracoccus denitrificans med og uten oksygen til stede. De ekstremt lave N2O-utslippene fra denne organismen kunne bare forklares ved at majoriteten av cellene uttrykker enzymet som reduserer N2O til N2, mens en liten minoritet produserer N2O.

Ny kunnskap, nye hypoteser
Kunnskap om genregulering i en modellorganisme som Paracoccus denitrificans gir oss et bedre utgangspunkt for å forstå andre denitrifiserende bakteriers «adferd», og bidrar dermed til vår forståelse av hva som regulerer utslipp av N2O og NO fra jord, vann, sedimenter og ikke minst rensesystemer for avløpsvann. Modelleringen har ført til nye hypoteser som kan testes ved hjelp av eksperimenter og videre utvikling av modellene.

Published 11. september 2015 - 10:58 - Updated 23. mai 2017 - 19:19