Status and prospects of ferredoxin research in methanogenic archaea

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemiantekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-09-06

Department

Major/Subject

Biotuotteet

Mcode

CHEM3048

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

25

Series

Abstract

Methanogenic archaea, or methanogens, produce the majority of Earth's methane gas. This bachelor's thesis discusses the current state of research on ferredoxins in methanogens. Ferredoxins are small electron transfer proteins found in all domains of life. Methanogenic archaea are methane-producing organisms that live in anaerobic conditions. Ferredoxins play an important role in the metabolic processes of methanogens, significantly influencing the electron flow within these organisms. However, research on ferredoxins is fragmented and uneven. Particularly, more recent studies on ferredoxins suggest that they are more diverse than previously thought. The goal of this work is to identify gaps and established knowledge in ferredoxin research, to expand the understanding of ferredoxins in methanogens. Ferredoxins are usually classified based on the number of iron-sulfur clusters they contain, and their evolution has been extensively studied. Ferredoxins are thought to have evolved during an early stage of chemical evolution, which is why they are often referred to as living protein fossils. Ferredoxins consist of approximately 50–100 amino acids, making them smaller and structurally simpler than many other enzymes and proteins. However, this simplicity also makes them stable. According to evolutionary theory, ferredoxins have remained remarkably unchanged over time. This is thought to be because their simple structure is critical for cellular biochemical processes, and even small changes in the protein’s structure could be detrimental to the organism. Therefore, natural selection has favored the preservation of ferredoxins without significant modifications. Methanogens are typically classified based on the substrates they use to produce methane. The three most common groups are hydrogenotrophic, acetoclastic, and methylotrophic metabolic pathways. This work addresses the roles of ferredoxins in each of these metabolic pathways. The structure and role of ferredoxins in different organisms can vary significantly. However, studies have shown that ferredoxins can generally replace ferredoxins from other species. Research has also demonstrated that ferredoxins from the same species can differ significantly in structure and function, highlighting the diversity of ferredoxins. In methanogens, ferredoxins are present in processes such as methanogenesis, ATP synthesis, and electron bifurcation. In methanogenesis, ferredoxins are particularly important in the first and final steps of the reaction, facilitating the connection of the reactions. Ferredoxins also enable the coupling of exergonic and endergonic reactions in other processes, which helps organisms maintain energy balance. Certain types of ferredoxins from specific species have been studied more extensively, such as plant ferredoxins and human ferredoxins. Research also exists on key reactions involving ferredoxins and the evolution of ferredoxins, but the classification of ferredoxins and differences between species have not been extensively studied. One challenge in ferredoxin research is that, despite their diversity, research often focuses on only one or a few well-known types of ferredoxins. This limits our understanding of their diversity. More detailed research on ferredoxins could facilitate the study of methanogenic metabolic pathways, which could impact biotechnological applications such as the development of biofuels and other industrial processes that require ferredoxins as electron carriers.

Metanogeeniset arkeonit eli metanogeenit tuottavat suurimman osan maapallon metaanikaasusta. Tämä kandidaatintyö käsittelee ferredoksiinitutkimuksen nykytilaa metanogeeneissä. Ferredoksiinit ovat pieniä elektroninsiirtoproteiineja, joita esiintyy kaikissa elämän domeeneissa. Metanogeeniset arkeonit ovat metaanikaasua tuottavia eliöitä, jotka elävät hapettomissa olosuhteissa. Ferredoksiinit ovat tärkeitä metanogeenien aineenvaihduntaprosesseissa, ja ne vaikuttavat suuresti metanogeenien elektronivuohon. Ferredoksiinien tutkimus on kuitenkin hajanaista ja epätasaista. Erityisesti uudempi tutkimus ferredoksiinesita näyttää, että ferredoksiinit ovat monimuotoisempia kuin mitä ennen ajateltiin. Tämän työn tavoitteena on määritellä ferredoksiinitutkimuksen tutkimusaukot ja vakiintunut tieto, jotta ymmärrystä ferredoksiineista metanogeeneissä voitaisiin laajentaa. Ferredoksiinit luokitellaan yleensä niiden rauta-rikkikeskusten määrän perusteella, ja niiden evoluutiota on tutkittu paljon. Ferredoksiinien ajatellaan kehittyneen varhaisessa kemiallisen evoluution vaiheessa, minkä vuoksi niitä kutsutaan usein eläviksi proteiinifossiileiksi. Ferredoksiinit koostuvat noin 50–100 aminohaposta, mikä tekee niistä pienempiä ja rakenteeltaan yksinkertaisempia kuin monet muut entsyymit ja proteiinit. Niiden yksinkertaisuus tekee niistä kuitenkin myös vakaita. Evoluutioteorian mukaan ferredoksiinit ovat säilyneet huomattavan muuttumattomina. Tämä johtuu teorian mukaan siitä, että niiden yksinkertainen rakenne on kriittinen solun biokemiallisille prosesseille, minkä vuoksi jopa pienet muutokset proteiinin rakenteessa voisivat olla haitallisia organismeille. Tämän vuoksi luonnonvalinta on suosinut ferredoksiinien säilymistä ilman merkittäviä muutoksia. Metanogeenit luokitellaan yleensä sen mukaan, mitä substraatteja ne käyttävät metaanikaasun tuotannossa. Yleisimmät kolme ryhmää ovat hydrogenotrofinen, asetoklastinen ja metylotrofinen aineenvaihduntareitti. Työ käsittelee ferredoksiinien rooleja kaikissa näissä aineenvaihduntareiteissä. Ferredoksiinien rakenne ja rooli eri organismeissa voivat vaihdella merkittävästi. Tutkimukset ovat kuitenkin näyttäneet, että ferredoksiinit pystyvät yleisesti korvaamaan toisen lajin ferredoksiinin. Tutkimus on myös osoittanut, että saman lajin ferredoksiinit voivat poiketa rakenteellisesti ja toiminnallisesti merkittävästi, mikä korostaa ferredoksiinien monimuotoisuutta. Metanogeeneissä ferredoksiinit ovat läsnä esimerkiksi metanogeneesissä, ATP-syntaasissa ja elektronien bi-furkaatiossa. Metanogeneesissä ferredoksiinit ovat erityisen tärkeitä reaktion ensimmäisessä ja viimeisessä vaiheessa, ja ferredoksiinit mahdollistavat reaktioiden kytkennän toisiinsa. Ferredoksiinit mahdollistavat eksergonisten ja endergonisten reaktioiden kytkennät toisiinsa myös muissa reaktioissa. Tämä auttaa eliöiden energiatasapainon ylläpitämisessä. Joitain ferredoksiinityyppejä tietyistä lajeista on tutkittu enemmän, kuten kasviperäisiä ferredoksiineja ja ihmisessä esiintyviä ferredoksiineja. Tutkimustietoa löytyy myös esimerkiksi keskeisimmistä reaktioista, joissa ferredoksiinit ovat läsnä ja ferredoksiinien evoluutiosta, mutta ferredoksiinien luokittelua ja lajien välisiä eroavaisuuksia ei olla tutkittu paljon. Yksi ferredoksiinitutkimuksen haasteista on se, että ferredoksiinien monipuolisuudesta huolimatta tutkimus keskittyy usein vain yhteen tai muutamaan tunnettuun ferredoksiinityyppiin. Tämä rajoittaa ymmärrystämme niiden moninaisuudesta. Ferredoksiinien tarkempi tutkimus voisi helpottaa metanogeenien aineenvaihduntareittien tutkimusta, mikä vaikuttaa bioteknologisiin sovelluksiin, kuten biopolttoaineiden kehittämiseen ja muihin teollisisiin prosesseihin, jotka vaativat ferredoksiineja elektroninsiirtäjinä.

Description

Supervisor

Scheller, Silvan

Thesis advisor

Telimaa, Heta

Keywords

ferredoxins, methanogens, archaea

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202410296920

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM