Methanopyrus kandleri

Methanopyrus kandleri ist eine Art (Spezies) von methanogenen Archaeen im Phylum Methanobacteriota (früher „Euryarchaeota“ genannt). Sie ist derzeit (Stand Oktober 2025) die einzige gültig beschriebene Art der Ordnung Methanopyrales in diesem Phylum^[3][4] und ist von stäbchenförmiger Gestalt.^[5] Aufgrund der hohen Widerstandsfähigkeit der Spezies und ihrer extremen Lebensumgebung wird M. kandleri als extremophil klassifiziert.^[6]

Der hyperthermophile Referenzstamm M. kandleri AV19 wurde in einer Tiefe von 2000 m an der Wand eines Schwarzen Rauchers im Guaymas-Becken (Golf von Kalifornien, Mexiko) entdeckt. In diesem Lebensraum herrschen Temperaturen von 84 bis 110 °C.^[5] Der später in den Fluiden eines anderen Schwarzen Rauchers – im Kairei-Hydrothermalfeld (Indischer Ozean) – entdeckte Stamm 116 kann sich sogar noch bei Temperaturen von 122 °C fortpflanzen.^[7] M. kandleri benötigt außerdem eine hohe Ionen­kon­zen­tration von mehr als 1 ᴍ (mol/ℓ) für Wachstum und Zellaktivität. Sie lebt in einer wasserstoff- und kohlendioxid­reichen Umgebung und reduziert das Kohlendioxid (CO₂) zu Methan (CH₄), was sie nicht-taxonomisch als Methanbildner klassifiziert. Die Art ist die (mit Stand 2006) einzige beschriebene Spezies, die über eine Topoisomerase V verfügt.^[5][8]

Methanopyrus kandleri hat eine stäbchenförmige Gestalt mit einer Länge von etwa 2–14 μm und einem Durchmesser von 0,5 μm.^[6] M. kandleri hat eine ganz speziell aufgebaute Zellmembran aus Terpenoid-Lipiden, die zu den primitivsten Lipiden gehören und als Vorläufer der in weiter entwickelten Archaeen vorkommenden Phytanyldiether gelten.^[6] Terpenoidlipide sind eine Gruppe von Lipiden, die neben Phytanen und Bisphytanen auch Cholesterine, Hopanoide und Carotinoide umfassen.^[9] Anders als bei M. kandleri, wo die Terpenoide der Hauptbestandteil der Membran sind, dienen sie in Eukaryoten und Bakterien eher als Stützstruktur.^[9]

M. kandleri ist durch polare (endständige) Büschel von Geißeln (Archaellen) beweglich (motil).^[10]

Die Spezies weist eine hohe Konzentration an zyklischem 2,3-Diphosphoglycerat^[11] auf.^[6] Diese Verbindung kommt häufig in Hyperthermophilen vor und trägt dazu bei, die Denaturierung von Proteinen bei hohen Temperaturen zu verhindern:^[12] Die erhöhte Konzentration an dieser zyklischen Verbindung schützt das Archaeon und hilft ihm, in einer für viele andere Organismen lebensfeindlichen Umgebung zu überleben. Außer dieser Verbindung zum Schutz der Proteine weist M. kandleri auch eine hohe Salzkonzentration in seiner Membran auf.^[6] Diese erhöhte Salzkonzentration trägt ebenfalls zur Enzymstabilität bei und fördert zudem die Aktivität der Enzyme bei höheren Temperaturen.^[13]

Als methanogener Mikroorganismus nutzt M. kandleri Wasserstoff (H₂) als Elektronendonator und reduziert Kohlendioxid (CO₂) aus der Umgebung zu Methan (CH₄), ein Prozess, der als Methanogenese bezeichnet wird.^[6] M. kandleri ist ein chemolithoautotropher, obligat anaerober Organismus, d. h. er nutzt niemals Sauerstoff als finalen Elektronenakzeptor und verträgt dessen Anwesenheit nicht.^[6][13]

Kulturen von M. kandleri wurden aus verschiedenen submarinen Hydrothermalquellen im Golf von Kalifornien, am Zentralindischen Rücken, am Mittelatlantischen Rücken inklusive Island isoliert.^[10] Die Art wurde erstmals an der Wand eines schwarzen Rauchers im Golf von Kalifornien (Mexiko) in einer Tiefe von 2.000 m bei Temperaturen von 84–110 °C entdeckt. Einige Stämme von M. kandleri können noch bei Temperaturen von bis zu 122 °C überleben, auch wenn die optimale Wachstumstemperatur um 98 °C liegt.^[6][7] Für das Zellwachstum und die Zellaktivität sind hohe interne Ionenkonzentrationen von mehr als 1 1 ᴍ (mol/ℓ) erforderlich.^[10] Die extremen Umweltbedingungen, unter denen M. kandleri lebt, und die Exklusivität dieser ökologischen Nische wird als Ursache für die weitegehende phylogenetische Isolation (Monotypie) dieser Spezies angesehen.^[7]

Das vollständige Genom von Methanopyrus kandleri wurde von Forschern bei Fidelity Systems sequenziert. Dabei wurde festgestellt, dass es sich um ein GC-reiches Genom mit einer Länge von 1.694.969 bp (Basenpaaren) handelt, der Gehalt an Guanin plus Cytosin (GC-Gehalt) beträgt 62,1 %. Das einzelne ringförmige Chromosom besitzt 1.691 proteinkodierende Gene und 39 Gene für strukturelle RNAs.^[6] Die Spezies besitzt auch eine große Anzahl von Orphan-Genen, möglicherweise durch viralen Gentransfer (Horizontaler Gentransfer durch Viren als Ursprung oder Vektor/Überträger).^[8]

Die Systematik der Gattung ist inklusive Metagenomik-Sequenzen (MAGs) wie folgt (Stand 2. November 2025):

Klasse Methanopyri Garrity & Holt 2002^(L,N,G)

• Ordnung Methanopyrales Huber & Stetter 2002^(L,N,G)
  • Familie Methanopyraceae Huber & Stetter 2002^(L,N,G)
    • Gattung Methanopyrus Kurr et al. 1992^(L,N,G)
      • Spezies Methanopyrus kandleri Kurr et al. 1992^(L,N,G)[5]
        • Stamm: DSM:6324 alias JCM:9639, NBRC:100938^(L,N) oder AV19^(L,N,G)
          – Fundort: Pobe durch Tiefsee-U-Boot Alvin von einem Schwarzen Raucher im Guaymas-Becken, Golf von Kalifornien, Mexiko^[5]
        • Stamm UBA8853^(N,G)
          – Fundort: per Metagenomik aus einer Umweltprobe^(N)
        • Stamm 116^[7]
          – Fundort: Schwarzer Raucher im Kairei-Hydrothermalfeld, Indischer Ozean^[7]
      • Spezies Methanopyrus sp002201895^(G) [Methanopyrus sp. SNP6^(N)[14], Methanopyrus sp. KOL6^(N)[14]]
        • Stamm SNP6^(N,G)[14]
          – Fundort: Snake Pit, Atlantis Fracture Zone,^[15] Mittelatlantischer Rücken^[14]
        • Stamm KOL6^(N,G)[14]
          – Fundort: Kolbeinseyrücken nördlich von Island
      • Spezies Methanopyrus sp013154335^(G)
        • Stamm L_MaxBin.003^(N.G)
          – Fundort: Sulfidischer Tiefsee-Hydrothermal-Sulfid-Kamin (Deepsea hydrothermal sulfide chimney) am Albatr​oss Plateau,^[16] Ostpazifischer Rücken^(N)
        • Stamm 4281-140_maxbin2_scaf2bin.059^(G)
        • Stamm PIR-30_metabat2_scaf2bin.107^(G)
      • Spezies Methanopyrus sp027064305^(G)
        • Stamm 4559-240_metabat2_scaf2bin.008^(N,G)
          – Fundort: Guaymas-Becken, Golf von Kalifornien, Mexiko^(N)
      • Spezies Methanopyrus sp027064425^(G)
        • Stamm 4559-240_metabat1_scaf2bin.048^(N,G)
          – Fundort: Guaymas-Becken, Golf von Kalifornien, Mexiko^(N)
      • Spaezies Methanopyrus sp039833815^(G)
        • Stamm FK190211_WC_175_metabat1_scaf2bin.007^(N,G)
          – Fundort: Hydrothermale Plume im Pescadero-Becken, Golf von Kalifornien, Mexiko^(N)
      • Spezies Methanopyrus sp. Dodo7_105P^(N)
        • Stamm Dodo7_105P^(N)
          – Fundort: nahe Circe Seamount^[17] nordöstlich der Insel Rodrigues (Insel), Indischer Ozean^(N)
      • Spezies Methanopyrus sp. Fe97_1^(N)
        • Stamm Fe97_1^(N)
          – Fundort: Schwarzer Raucher am Rainbow hydrothermal vent field, nördlich der Oceanographer Fracture Zone,^[18] Mittelatlantischer Rücken^(N)
      • Spezies Methanopyrus sp. SMT4-100P^(N)
        • Stamm SMT4-100P^(N)
          – Fundort: am Malaguana-Gadao Rise^[19] südwestlich von Guam im Pazifik^(N)
• ohne nähere Zuweisung

  • Spezies Methanopyri archaeon JdFR-15^(N,G)
    – Fundort: Cascada Basin, nördlicher Juan-de-Fuca-Rücken: westlich von Seattle^[20]

(L) – List of Prokaryotic names with Standing in Nomenclature (LPSN)^[4]

(N) – Taxonomie des National Center for Biotechnology Information (NCBI)^[1][3]

(G) – Genome Taxonomy Database (GTDB)^[21]

Der erstgenannte Stamm ist jeweils der Referenzstamm (englisch type strain).

Der Gattungsname Methanopyrus leitet sich ab von neulateinisch methanum, französisch méthyle ‚Methan‘, als Präfix methano-, deutsch ‚Methan betreffend‘, englisch pertaining to methane; sowie altgriechisch πῦρ pŷr, deutsch ‚Feuer‘, der Name ‚Methanopyrus‘ bedeutet also ein ‚Methanfeuer‘, verweist damit im weiteren Sinn auf einen hyperthermophilen Methanbildner.^[4]

Das Art-Epitheton kandleri ist ebenfalls neulat. und ehrt den Mikrobiologen und Botaniker Otto Kandler für seine Verdienste in der Erforschung der Archaeen.^[4]

Die Familien-, Ordnungs- und Klassenbezeichnungen leiten sich ab vom Gattungsnamen Methanopyrus als Typusgattung, versehen mit dem jeweiligen Suffix dieser taxonomischen Rangstufen.^[4]

Methanopyrus kandleri ist die einzige bekannte Spezies, die über eine Topoisomerase V (Topo-V) verfügt. Diese spezielle Topoisomerase ermöglicht es der Spezies, bei extrem hohen Temperaturen zu überleben: sie hilft dabei, extrem gepackte und spiralisierte DNA (positiv wie negativ Supercoiled DNA) zu entpacken und aufzudrillen.^[8] Topoisomerase V ist deshalb ein einzigartiges Enzym, da sie neben dieser Topoisomerase- auch DNA-Reparaturaktivität besitzt. Sie besitzt dazu vier aktive Stellen ([binding] sites), eine für die gewöhnliche Topoisomerase-Relaxationsfunktion, und drei Stellen für die zusätzliche DNA-Reparatur-Funktionalität. Das Vorkommen sowohl von DNA-Reparatur- als auch von Relaxationsaktivitäten im selben Polypeptid deutet auf die enge Beziehung und eine mögliche Synergie zwischen den beiden Aktivitäten hin.^[22] Trotz dieser Nützlichkeit von Topo-V, hat sich die Suche nach anderen Hyperthermophilen mit Topo-V als schwierig und bisher nicht erfolgreich erwiesen (Stand 2006). Das Fehlen von Topo-V in anderen Archaeen gab Anlass zu der Vermutung, dass der Ursprung dieses Enzyms in M. kandleri auf einen viralen Gentransfer zurückzuführen sein könnte, wobei die ungewöhnlich hohe Anzahl von Orphan-Genen in dieser Spezies als weiterer Beleg für diese Annahme dient.^[8] Darüber hinaus sind die aufgrund der extremen Umweltbedingungen in M. kandleri (evolutionär) entwickelten zellulären Reaktionen ein weiteres Forschungsthema, um widerstandsfähigen enzymatischen Prozesse für industrielle Zwecke zu nutzen.^[10]

1. ↑ ^{a b c} NCBI Taxonomy Browser: Methanopyri, Details: Methanopyri Garrity and Holt 2002. Rank:class. Graphisch: Methanopyri. Auf: Lifemap.
2. ↑ Nanako Kanno, Shingo Kato, Takashi Itoh, Moriya Ohkuma, Shinsuke Shigeto: Resonance Raman analysis of intracellular vitamin B12 analogs in methanogenic archaea. In: Chemistry Europe: Analytical Science Advances, Band 3, Nr. 5-6, Juni 2022, S. 165-173; doi:10.1002/ansa.202100042 (englisch).
3. ↑ ^{a b} NCBI Taxonomy Browser: Methanopyrus. , Details: Methanopyrus Kurr et al. 1992. Graphisch: Methanopyrus. Auf: Lifemap.
4. ↑ ^{a b c d e} LPSN: Genus Methanopyrus Kurr et al. 1992. Species Methanopyrus kandleri Kurr et al. 1992.
5. ↑ ^{a b c d e} Margit Kurr, Robert Huber, Helmut König, Holger W. Jannasch, Hans Fricke, Antonio Trincone, Jakob K. Kristjansson, Karl O. Stetter: ​Methanopyrus kandleri, gen. and sp. nov. represents a novel group of hyperthermophilic methanogens, growing at 110°C. In: Microbiology, Band 156, September 1992, S. 239–247; doi:10.1007/BF00262992 (englisch).
6. ↑ ^{a b c d e f g h i} Alexei I. Slesarev, Katja V. Mezhevaya, Kira S. Makarova, Nikolai N. Polushin, Olga V. Shcherbinina, Vera V. Shakhova, Galina I. Belova, L. Aravind, Darren A. Natale, Igor B. Rogozin, Roman L. Tatusov, Yuri I. Wolf, Karl O. Stetter, Andrei G. Malykh, Eugene V. Koonin, Sergei A. Kozyavkin: The complete genome of hyperthermophile Methanopyrus kandleri AV19 and monophyly of archaeal methanogens. In: PNAS, Band 99, Nr. 7, April 2002, S. 4644–4649; doi:10.1073/pnas.032671499, PMC 123701 (freier Volltext), PMID 11930014, bibcode:2002PNAS...99.4644S (englisch).
7. ↑ ^{a b c d e} Ken Takai, Kentaro Nakamura, Tomohiro Toki, Urumu Tsunogai, Masayuki Miyazaki, Junichi Miyazaki, Hisako Hirayama, Satoshi Nakagawa, Takuro Nunoura, Koki Horikoshi: Cell proliferation at 122°C and isotopically heavy CH₄ production by a hyperthermophilic methanogen under high-pressure cultivation. In: PNAS. 105. Jahrgang, Nr. 31, August 2008, S. 10949–10954, doi:10.1073/pnas.0712334105, PMID 18664583, PMC 2490668 (freier Volltext), bibcode:2008PNAS..10510949T (englisch). 
8. ↑ ^{a b c d} Patrick Forterre: DNA topoisomerase V: a new fold of mysterious origin. In: Trends in Biotechnology. 24. Jahrgang, Nr. 6, Juni 2006, S. 245–247, doi:10.1016/j.tibtech.2006.04.006, PMID 16650908 (englisch). 
9. ↑ ^{a b} Yoichi Nakatani, Nigel Ribeiro, Stéphane Streiff, Mari Gotoh, Gianluca Pozzi, Laurent Désaubry, Alain Milon: Search for the most 'primitive' membranes and their reinforcers: a review of the polyprenyl phosphates theory. In: Origins of Life and Evolution of the Biosphere. 44. Jahrgang, Nr. 3, September 2014, S. 197–208, doi:10.1007/s11084-014-9365-6, PMID 25351682, PMC 4669544 (freier Volltext), bibcode:2014OLEB...44..197N (englisch). 
10. ↑ ^{a b c d} Aharon Oren: The Prokaryotes: The Family Methanopyraceae. Hrsg.: Eugena Rosenberg, Edward F. DeLong, Stephen Lory, Erko Stackebrandt. Springer Berlin Heidelberg, 2014, ISBN 978-3-642-38953-5, S. 247–252, doi:10.1007/978-3-642-38954-2_328 (englisch). 
11. ↑ Cyclic 2,3-diphosphoglycerate. Auf: PubChem.
12. ↑ InterPro: IPR016557 – Cyclic 2,3-diphospoglycerate synthetase. In: www.ebi.ac.uk. Abgerufen am 23. April 2021 (englisch). 
13. ↑ ^{a b} Jürgen Breitung, Gerhard Börner, Sabine Scholz, Dietmar Linder, Karl O. Stetter, Rudolf K. Thauer: Salt dependence, kinetic properties and catalytic mechanism of N-formylmethanofuran:tetrahydromethanopterin formyltransferase from the extreme thermophile Methanopyrus kandleri. In: European Journal of Biochemistry, Band 210, Nr. 3, Dezember 1992, S. 971–981; doi:10.1111/j.1432-1033.1992.tb17502.x, PMID 148348 (englisch).
14. ↑ ^{a b c d e} Zhiliang Yu, Yunting Ma, Weihong Zhong, Juanping Qiu, Jun Li: Comparative Genomics of Methanopyrus sp. SNP6 and KOL6 Revealing Genomic Regions of Plasticity Implicated in Extremely Thermophilic Profiles. In: Frontiers in Microbiology, Band 8, 11. Juli 2017, S. 1278; doi:10.3389/fmicb.2017.01278, PMC 5504354 (freier Volltext), PMID 28744269 (englisch).
15. ↑ Atlantis Fracture Zone. Auf: Geonames,
16. ↑ Albatross Plateau. Auf: GeoNames.
17. ↑ Circe Seamount. Auf: GeoNames.
18. ↑ Oceanographer Fracture Zone. Auf: GeoNames.
19. ↑ Malaguana-Gadao Rise. Auf: GeoNames.
20. ↑ Cascada Basin. ESRI National Geographic (USA Basmap). Auf: Mappingsupport (mappingsupport.com).
21. ↑ GTDB: Methanopyrus; GCA_002010035.1, NCBI strain identifiers: JdFR-15.
22. ↑ Rakhi Rajan, Amy Osterman, Alfonso Mondragón: ​Methanopyrus kandleri topoisomerase V contains three distinct AP lyase active sites in addition to the topoisomerase active site. In: Nucleic Acids Research, Band 44, Nr. 7, 20. April 2016, ISSN 0305-1048, S. 3464–3474; doi:10.1093/nar/gkw122, PMC 4838376 (freier Volltext), PMID 26908655 (englisch).

• Magdalena Schacherl, Sandro Waltersperger, Ulrich Baumann: Structural characterization of the ribonuclease H-like type ASKHA superfamily kinase MK0840 from Methanopyrus kandleri. In: Acta Crystallographica. Section D, Biological Crystallography, Band 69, Nr. 12, Dezember 2013, S. 2440–2450; doi:10.1107/S0907444913022683, PMID 24311585 (englisch).
• Andreas A. H. Su, Vanessa Tripp, Lennart Randau: RNA-Seq analyses reveal the order of tRNA processing events and the maturation of C/D box and CRISPR RNAs in the hyperthermophile Methanopyrus kandleri. In: Nucleic Acids Research, Band 41, Nr. 12, Oxford University Press, Juli 2013, S. 6250–6258; doi:10.1093/nar/gkt317, PMC 3695527 (freier Volltext), PMID 23620296 (englisch).
• R. Huber, Karl O. Stetter in: David R. Boone, Richard W. Castenholz, George M. Garrity: Bergey's Manual of Systematic Bacteriology, Band 1: The Archaea and the deeply branching and phototrophic Bacteria., 2. Auflage, Springer Verlag, New York, 2001, ISBN 978-0-387-98771-2, S. 169
• Laura F. Ginsbach, Juan M. Gonzalez: Understanding Life at High Temperatures: Relationships of Molecular Channels in Enzymes of Methanogenic Archaea and Their Growth Temperatures. In: MDPI: International Journal of Molecular Sciences, Band 23, Nr. 23, Special Issue Thermophilic and Hyperthermophilic Microbes and Enzymes 2.0, 2. Dezember 2022, S. 15149; doi:10.3390/ijms232315149 (englisch, u. a. über Methanopyrus sp. KOL6).

• BacDive: Methanopyrus kandleri AV19 is an anaerobe, hyperthermophilic archaeon that was isolated from geothermally heated deep sea sediment (Type strain, alias DSM 6324, JCM 9639, NBRC 10093)
• Trish Shetty: Methanopyrus. Auf: Alchetron (alchetron.com, englisch).
• Kiri Staiger: Methanopyrus kandleri: evolutionary significance. Auf: MicrobeWiki. Stand: 2. Oktober 2015. Kenyon College, Department of Biology (englisch).
• Euryarchaeota. Diverse Cell Forms of Methanogens. Auf: Learneo: Nursing Hero (nursinghero.com): Study Guides (englisch).