Methylotrophe Organismen (kurz Methylotrophe) sind eine vielfältige Gruppe von Mikroorganismen, die reduzierte Verbindungen mit einem (einzigen) Kohlenstoff-Atom (C1-Verbindungen) wie Methanol (CH3OH), Methan (CH4), Formiat oder Kohlenmonoxid (CO) als Kohlenstoffquelle für ihr Wachstum nutzen können (Assimilation). Einige methylotrophe Organismen können auch das Treibhausgas Methan abbauen und werden in diesem speziellen Fall auch als Methanotrophe Organismen bezeichnet.

Bei den Methylotrophen sind Verbindungen mit mehreren Kohlenstoff-Atomen eingeschlossen, wenn diese keine direkten Kohlenstoff-Kohlenstoff-BindungenKohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen: Kovalente Bindungen C–C, C=C oder C≡C. enthalten, wie beispielsweise Dimethylether (H3C-O-CH3 bzw. gleichwertig (CH3)2O) und Dimethylamin ((CH3)2NH). Mitglieder dieser Gruppe sind beispielsweise Mikroorganismen, die reduzierte Ein-Kohlenstoff-Verbindungen mit Hilfe von Kohlendioxid (CO2) über den Ribulose-Biphosphat-Weg (Calvin-Zyklus) zu assimilieren.

Diese Organismen sind nicht mit den Methanogenen (Methanbildnern) zu verwechseln, die im Gegenteil Methan als Nebenprodukt aus verschiedenen Ein-Kohlenstoff-Verbindungen wie Kohlendioxid erzeugen. Einige methylotrophe Organismen können das Treibhausgas Methan dagegen abbauen und werden in diesem speziellen Fall auch als methanotrophe Organismen bezeichnet.

Wegen der Menge, der Reinheit und des niedrigen Preises des zur Verfügung stehenden Methanols sind Methanol-verwertende Methylotrophe beispielsweise ideale Organismen für die Produktion von Aminosäuren, Vitaminen, Einzellerproteinen (), rekombinanter Proteine (),Einzellerproteine versus rekombinante Proteine: Erstere werden durch natürlich vorkommende Einzeller synthetisiert, letztere sind durch gentechnisch veränderten Organismen erzeugt, inklusive solcher, in die zusätzliche DNA-Moleküle (etwa als Plasmide) eingeschleust wurden Coenzymen und Cytochromen. Sie könne daher sogar besser geeignet als die üblicherweise verwendeten Zellkulturen, die mit Zuckern „gefüttert“ werden.

Stoffwechsel mini|500px|Allgemeine Schritte des methylotrophen Stoffwechsels mit Darstellung von vier bekannten Stoffwechselwegen zur methylotrophen Assimilation. Der allgemeine katabolische Weg ist ebenfalls dargestellt. Q steht für ein membrangebundenes Chinon. Methan-Monooxygenase (MMO) und Formiat-Dehydrogenase (FDH) können membrangebunden oder frei im Zytoplasma (löslich) vorhanden sein, während Methanol-Dehydrogenase (MDH) und Formaldehyd-Dehydrogenase (FALDH) immer membranassoziiert sind.

Das wichtigste Zwischenprodukt des methylotrophen Stoffwechsels ist Formaldehyd, über das entweder in assimilatorische oder dissimilatorische Stoffwechselwege geleitet werden können. Methylotrophe produzieren Formaldehyd durch Oxidation von Methanol und/oder Methan. Für die Methanoxidation ist das Enzym Methan-Monooxygenase (MMO) erforderlich. Methylotrophe Organismen mit diesem Enzym werden als Methanotrophe bezeichnet. Die Oxidation von Methan (oder Methanol) kann assimilatorisch oder dissimilatorisch (katabolisch) erfolgen (siehe Abbildung). Im Falle der dissimilatorischen Oxidation wird das Formaldehyd-Zwischenprodukt vollständig oxidiert zu CO2, wobei ein Reduktionsmittel und Energie frei werden. Bei der assimilatorischen Oxidation wird das Formaldehyd-Zwischenprodukt für die Synthese einer Dreifach-Kohlenstoff-Verbindung (C3-Verbindung) benutzt, mit deren Hilfe dann die Produktion von Biomasse erfolgt. Viele Methylotrophe verwenden Multikohlenstoffverbindungen (Cn) für den Aufbau von körpereigenen Stoffen Anabolismus und beschränken ihre Verwendung von Formaldehyd auf dissimilatorische Prozesse, während im Spezialfall der Methanotrophen diese sich im Allgemeinen auf den C1-Stoffwechsel beschränken.

+ Verbindungen, die bekannterweise den methylotrophen Stoffwechsel unterstützenEin-Kohlenstoff-Verbindungen (C1)Chemische FormelMehrfach-Kohlenstoff-Verbindungen (Cn)Chemische FormelKohlenmonoxidCODimethylether (DME)(CH3)2OFormaldehydCH2ODimethylamin(CH3)2NHFormamidHCONH2Dimethylsulfid (DMS)(CH3)2SAmeisensäure (Formiat)HCOOHTetramethylammonium(CH3)4N+MethanCH4Trimethylamin(CH3)3NMethanolCH3OHTrimethylamin-N-Oxid(CH3)3NOMethylaminCH3NH2Trimethylsulfonium(CH3)3S+HalogenmethaneCH3X

Katabolismus Methylotrophe Organismen nutzen die Elektronentransportkette, um Energie aus der Oxidation von C1-Verbindungen zu gewinnen. Um den Abbau des chemisch stabilem Methans zu ermöglichen, ist im methanotrophen Stoffwechsel ist ein zusätzlicher Aktivierungsschritt erforderlich. Die Oxidation zu Methanol wird durch die Methan-Monooxygenase (MMO) katalysiert, die ein Sauerstoffatom aus O2 ins Methanmolekül einbaut und das andere Sauerstoffatom zu Wasser (H2O) reduziert. Methanol wird dann in Bakterien durch die Methanol-Dehydrogenase (MDH) oder in Hefe durch eine unspezifische Alkoholoxidase zu Formaldehyd oxidiert. Die Elektronen aus der Methanoloxidation werden an ein membranassoziiertes Chinon der Elektronentransportkette weitergeleitet, wodurch die Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) gewonnen wird.

Bei dissimilatorischen Prozessen wird Formaldehyd vollständig zu CO2 oxidiert und ausgeschieden. Formaldehyd wird durch die Wirkung der Formaldehyd-Dehydrogenase (FALDH) zu Formiat oxidiert und das Elektronen direkt an ein membranassoziiertes Chinon der Elektronentransportkette abgibt (in der Regel Cytochrom b oder c). Im Falle von NAD+-assoziierten Dehydrogenasen wird NADH gebildet.

Schließlich wird das Formiat zu CO2 oxidiert durch eine zytoplasmatische (lösliche) oder membrangebundene Formiat-Dehydrogenase (FDH) oxidiert, wodurch NADH und CO2 produziert werden.

Anabolismus Die wichtigste Herausforderung für den Stoffwechsel der Methylotrophen ist die Assimilation von C1-Molekülen zu Biomasse. Die Methylotrophen müssen dazu de novo Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen zwischen den bisherigen C1-Molekülen bilden. Fakultativ Methylotrophe vermeiden diesen energieintensiven Prozess, indem sie – wenn möglich – eine Reihe größerer organischer Verbindungen benutzen. Obligat Methylotrophe müssen jedoch die C1-Moleküle assimilieren. Eine Zwischenstellung nehmen sog. eingeschränkt fakultativ Methylotrophe () ein, die außer C1-Verbindungen lediglich eine begrenzte Anzahl komplexerer organischer Verbindungen nutzen können. Zu dieser Gruppe gehören Vertreter der Bakteriengattungen Hansschlegelia und Methylobrevis (beide zu Ordnung Hyphomicrobiales der Alphaproteobakterien) sowie Methylovorus (Ordnung Nitrosomonadales der Betaproteobakterien).

Es gibt insgesamt vier verschiedene Assimilationswege, die der Biosynthese eines C3-Moleküls dienen. Alle vier Wege bauen drei C1-Moleküle in Multi-Kohlenstoff-Zwischenprodukte ein, und spalten dann von einem Zwischenprodukt ein neues C3-Molekül ab. Die verbliebenen Reste der Zwischenprodukte werden anschließend umgeordnet, um die ursprünglichen Multi-Kohlenstoff-Zwischenprodukte zu regenerieren.

Bakterien nutzen drei dieser Wege, während Pilze (Hefen) nur einen nutzen. Jede Spezies methylotropher Bakterien hat unter diesen drei bakteriellen einen spezifischen dominanten Assimilationsweg. Die drei charakterisierten Wege für die Kohlenstoffassimilation sind bei der Formaldehydassimilation der Ribulosemonophosphatweg (RuMP, Typ I), der Serinweg (Typ II) sowie für die CO2-Assimilation der Ribulosebiphosphatweg (RuBP, alias Calvin-Benson-Bassham-Zyklus, CBB). Der Stoffwechsel der methylotrophen Hefepilze unterscheidet sich von dem der Bakterien vor allem durch die verwendeten Enzyme und den Weg der Kohlenstoffassimilation. Während Bakterien zur Oxidation von Methanol eine bakterielle Methanoldehydrogenase (MDH, EC 1.1.3.7) nutzen, oxidieren methylotrophe Hefen Methanol in ihren Peroxisomen mit einer unspezifischen Alkoholoxidase (AOX). Dabei entstehen sowohl Formaldehyd als auch Wasserstoffperoxid (H2O2). Durch die Kompartimentierung dieser Reaktion in den Peroxisomen wird wahrscheinlich das entstehende Wasserstoffperoxid sequestriert. In den Peroxisomen wird Katalase produziert, um dieses schädliche Nebenprodukt zu beseitigen.

Bakterien: Ribulosebiphosphatweg (RuBP)

mini|350px|Calvin-Zyklus (Ribulosebiphosphatweg, RuBP) Im Gegensatz zu den anderen Assimilationswegen beziehen Bakterien, die den RuBP-Weg nutzen, ihren gesamten organischen Kohlenstoff durch CO2-Assimilation. Dieser Stoffwechselweg wurde zuerst bei photosynthetischen AutotrophenOrganismen, die ihre Baustoffe (und organischen Reservestoffe) ausschließlich aus anorganischen Stoffen aufzubauen und die Energie dazu aus dem Licht beziehen. aufgeklärt und ist besser bekannt als Calvin-Zyklus. Kurz darauf wurden methylotrophe Bakterien gefunden, die auf reduzierten C1-Verbindungen wachsen können und diesen Stoffwechselweg nutzen.

Zunächst werden drei Moleküle Ribulose-5-phosphat zu Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP, auch RuP2) phosphoryliert.Je nach Darstellung kann dieser Schritt auch als letzter Regenerationsschritt dargestellt werden. Das Enzym Ribulosebisphosphatcarboxylase (RuBisCO) carboxyliert die RuBP-Moleküle, wodurch sechs Moleküle 3-Phosphoglycerat (PGA, auch 3-PG) entstehen. Das Enzym Phosphoglyceratkinase phosphoryliert PGA zu 1,3-Diphosphoglycerat (DPGA). Bei der Reduktion von sechs DPGA durch das Enzym Glyceraldehydphosphat-Dehydrogenase (GADPH) entstehen sechs Moleküle der C3-Verbindung Glyceraldehyd-3-phosphat (GAP oder G3P). Ein GAP-Molekül wird in die Biomasse umgeleitet, während die anderen fünf Moleküle zuletzt die drei Moleküle von Ribulose-5-Phosphat regenerieren, die im nächsten Durchlauf des Zyklus wieder zu RuBP phosphoryliert werden.

Bakterien: Ribulosemonophosphatweg (RuMP)

mini|350px|Der Ribulosemonophosphatweg (RuMP-Weg) zur Assimilation von Formaldehyd in Typ-I-Methanotrophen. mini|links|hochkant=0.75|3-Hexulose-6-phosphat (Hexulosephosphat, HU6P), Anion Als in dem methanotrophen Gammaproteobakterium Methylomonas methanica (Methylococcaceae) kein RuBisCO gefunden wurde, vermutete man bereits 1980 einen neuen Stoffwechselweg. Mit Hilfe der Isotopenmarkierung konnte dann 1996 gezeigt werden, dass M. methanica den Ribulosemonophosphatweg (RuMP, auch Hexulosephosphatzyklus genannt) nutzt. Die Entdeckung veranlasste die Autoren zudem zu der These, dass der RuMP-Weg dem RuBP-Weg entwicklungsgeschichtlich (in der Evolution) vorausgegangen sein könnte.

Wie der RuBP-Weg beginnt auch dieser Stoffwechselweg mit 3 Molekülen Ribulose-5-phosphat. Aber anstatt das Ribulose-5-phosphat zu phosphorylieren, bilden hier jedoch 3 Moleküle Formaldehyd durch eine Aldolkondensation eine C-C-Bindung, wodurch 3 C6-Moleküle von D-Arabino-3-Hexulose-6-phosphat (HU6P, Hexulosephosphat, CAS 53010-97-2), vermittelt durch eine Hexulose-6-phosphat-Synthase (HPS) entstehen. Diese Reaktion wird durch eine Hexulosephosphat-Synthase (HPS) katalysiert.

Eines dieser Hexulosephosphat-Moleküle wird in Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP, auch G3P) und entweder in Pyruvat (Brenztraubensäure) oder Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) umgewandelt. Das Pyruvat oder DHAP wird für die Produktion der Biomasse verwendet, während die anderen beiden Hexulosephosphat-Moleküle und das GAP-Molekül zur Regeneration der drei Ribulose-5-phosphat-Moleküle verwendet werden.

Bakterien: Serinweg

mini|350px|Serinweg, um Formaldehyd zu fixieren. Im Gegensatz zu den anderen Assimilationswegen werden beim Serinweg (Serinzyklus) anstelle von Kohlenhydraten Carbonsäuren und Aminosäuren als Zwischenprodukte verwendet. Zunächst werden zwei Moleküle Formaldehyd zu zwei Molekülen der Aminosäure Glycin hinzugefügt. Dadurch entstehen zwei Moleküle der Aminosäure Serin, dem wichtigsten Zwischenprodukt dieses Stoffwechselwegs. Aus diesen Serinmolekülen entstehen schließlich zwei Moleküle 2-Phosphoglycerat (2-Phosphoglycerinsäure), wobei ein C3-Molekül in die Biomasse geht und das andere zur Regeneration von Glycin verwendet wird. Wichtig ist: Für die Regeneration von Glycin wird zusätzlich ein Molekül CO2 benötigt.