Engineering alternative sulfur assimilation pathway to enable growth of Methanosarcina acetivorans on formate oxidation by extracellular electron acceptors

Abstract

Methanosarcina acetivorans is a versatile methanogenic archaeon that employs methylotrophic and acetoclastic methanogenesis pathways for energy conservation, simultaneously producing methane. Reactions in the acetoclastic pathway can function in both directions leading to novel energy conserving pathway called reverse methanogenesis. In nature, methane, the product of methanogenesis pathway, is anaerobically oxidized, which is made thermodynamically viable with extracellular electron transfer. This type of system was reported by Holmes et al. 2019, where they used artificial electron acceptor AQDS. However, this area requires further investigation due to an issue where the sulfur source in the medium was capable of oxidizing AQDS. This reaction rendered the sulfur source inaccessible to the cell and eliminated an electron acceptor from the system. The aims of this thesis were to recreate the system reported by Holmes et al. and improve the system by creating a new sulfur assimilation pathway for M. acetivorans and changing the sulfur source of the cell to methionine or methylcysteine. In this study, a methionine and methylcysteine pathway is engineered into M. acetivorans, which is then tested in a hypothetical metabolism of anaerobically oxidizing formate.

Methanosarcina acetivorans on monipuolinen metanogeeninen arkki, joka käyttää metanotrofista ja asetoklaktista metabolista reittiä solun hiili-, ja elektroni tarpeisiin, tuottaen samanaikaisesti metaania. Asetoklaktisen reitin reaktiot toimivat molempiin suuntiin, mikä johtaa harvinaisempaan metaboliseen reittiin, jota kutsutaan käänteineksi metanogeneesiksi. Luonnossa M. accetivorans voi anaerobisesti hapettaa metaania, metanogeneesin lopputuotetta. Termodynaamisesti tämän mahdollistaa ekstrasellullarinen elektronin siirto. Tällaista järjestelmää tutkittiin Holmesin ja muiden (2019) toimesta, käyttäen keinotekoista elektronin vastaanottajaa, AQDS:ää. Tämä alue vaatii kuitenkin lisätutkimusta ongelman vuoksi, jossa kasvualustan rikinlähde kykeni hapettamaan AQDS:n. Tämä reaktio teki rikinlähteen solulle käyttökelvottomaksi ja poisti järjestelmästä elektronin vastaanottajan. Tämän opinnäytteen tavoitteet olivat toistaa Holmesin ja muiden raportoima järjestelmä ja parantaa sitä luomalla uusi rikin assimilaatioreitti M. acetivoransille sekä vaihtamalla solun rikinlähde metioniiniin tai metyylisysteiiniin. Tässä tutkimuksessa M. acetivoransille suunnitellaan metioniinin ja metyylisysteiinin reittejä, jotka testataan teoreettisessa aineenvaihdunnassa, joka pelkistää formiaattia anaerobisesti.