Investigating the origin of N5-ethyl-tetrahydromethanopterin in the methanogen Methanothermobacter marburgensis

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Engineering | Master's thesis

Authors

Date

2025-02-24

Department

Major/Subject

Biosystems and Biomaterials Engineering

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Life Science Technologies

Language

en

Pages

48

Series

Abstract

Methanogenesis is a metabolic pathway where one-carbon (C1) substrates are converted to methane for energy and biomass production. Methanothermobacter marburgensis is a well-known methanogen that reduces substrate to methane by loading one carbon (C1) moieties on a carbon carrier, tetrahydromethanopterin (H4MPT). In H4MPT the pterin ring is the active part where cargo is loaded. A surprising accumulation of H4MPT carrying two carbon (C2) moieties was detected inside M. marburgensis. Since C1 exclusively in methanogenesis is assumed this novel finding caused significant scientific interest. C2 carrying H4MPT was identified as N5-ethyl-H4MPT with NMR analysis previously in the lab where this research is carried out. In this research, the origin of N5-ethyl-H4MPT was investigated by supplementing the cell lysate with C2 substrate and reduction power as hydrogen gas (H2). Because acetaldehyde is an intermediate of metabolism of M. marburgensis and pterin in another carbon carrier, tetrahydrofolate, is known to condensate with acetaldehyde, acetaldehyde was hypothesized to serve the C2 moiety for N5-ethyl-H4MPT. Formation of acetaldehyde inside the M. marburgensis was investigated by enhancing the natural degradation of L-threonine to acetaldehyde and glycine. Accumulation indicates that M. marburgensis lacks enzymes to metabolize N5-ethyl-H4MPT further. 1H NMR was used as an analytical tool for quality analysis. The ability of H4MPT to carry a C2 moiety was investigated in terms of the thermodynamic and kinetics of the condensation reaction between acetaldehyde and H4MPT. The condensation reaction between acetaldehyde and H4MPT is a three-step reaction including acetylation, cyclization and reduction. 1H NMR and UV spectroscopy were used for quantity analysis. Preliminary result shows that N5-ethyl-H4MPT accumulates in cell lysate when additional acetaldehyde and H2 was provided. The condensation reaction creates spontaneously N5N10-ethylene-H4MPT since the equilibrium constant is high leading to negative Gibb’s free energy change. The reaction rate coefficient for condensation is large indicating fast formation of condensation product and proving that enzyme is not required. For hydrolysis, the reverse of condensation, the reaction rate coefficient is small indicating dependency of an enzyme.

Methanogeneesi on mikrobien aineenvaihdunnallinen reitti, jossa yhden hiilen sisältäviä yhdisteitä muokataan metaaniksi tuottaen samalla energiaa ja biomassaa. Methanothermobacter marburgensis on tunnettu metanogeeni, joka pelkistää lähtöaineita metaaniksi kuljettaen niitä läpi metanogeneesin kofaktoriin, tetrahydromethanopterin (H4MPT), sitoutuneena. Pterin-rengas on H4MPT:n aktiivinen osa, johon hiili sitoutuu. NMR analyysissa huomattiin M. marburgensisin lysaatissa kaksi hiilinen (C2) osa normaalin yksihiilisen (C1) osan sijasta sitoutuneen kofaktoriin. Löydös on ennennäkemätön, sillä metanogeneesiä oli pidetty C1 eksklusiivisena. 2D NMR analyysillä pystyttiin selvittämään, että kyseessä oli N5-ethyl-tetrahydromethanopterin (N5-ethyl-H4MPT). Tämä tutkimus pyrkii ymmärtämään N5-ethyl-H4MPT:n alkuperää tuottamalla sitä M. marburgensissa tarjoamalla lysaatille C2 lähtöainetta sekä vetykaasua (H2). Asetaldehydin hypotetisoidaan siirtävän C2 osan H4MPT:lle muodostaen pelkistyksen jälkeen N5-ethyl-H4MPT:tä. Asetaldehydi on välituote M. marburgensisin aineenvaihdunassa ja tiedettävästi pterin toisessa hiilen kantajassa, tetrahydrofolaatisssa, kondenstoituu acetaldehydin kanssa. Hypoteesia asetaldehydistä C2 osan alkuperänä tutkitaan pyrkimällä lisäämään luonnollista acetaldehydin tuotantoa L-treoniinista. N5-ethyl-H4MPT:n kertyminen solun sisälle viittaa sen pidemmälle prosessoimiseen vaadittavien entsyymien puutteesta M. marburgensisin sisällä. H4MPT kykyä kantaa C2 osa määrittämällä asetaldehydin ja H4MPT:n kondensaatio reaktion termodynamiikan ja kinetiikan vakioita. Kondensaatioreaktio on kolme vaiheinen reaktio, jossa asetylaatio, renkaan muodostus ja pelkistys seuraa toisiaan. Reaktioiden tulisi tapahtua spontaanisti ilman entsyymiä. Analyysimenetelminä 1H NMR sekä UV spektroskopiaa. Kondensaatioreaktion tasapainovakio oli suuri aiheuttaen negatiivisen Gibbsin vapaaenergian muutoksen. Tämä viittaa reaktion tapahtuvan spontaanisti. Kondensaatio reaktion korkea nopeusvakio kuvaa, että reaktio ei ole riippuvainen entsyymistä. Toisin kuin hydrolyysin nopeusvakion matala arvo osoittaa, että reaktio vaatii entsyymin tapahtuakseen. C2 osan alkuperästä ei saatu varmoja viiteitä, sillä asetaldehydin

Description

Supervisor

Scheller, Silvan

Thesis advisor

Laird, Maxime

Keywords

methanogenesis, Methanothermobacter marburgensis, tetrahydromethanopterin, condensation reaction, reaction rate coefficient, N5-ethyl-H4MPT

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202505193845

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM