Minimalisten im Mikrobenreich genügt H2 aus der Atmosphäre Energie aus Luft gewinnen: Forscher bauen Bakterienstoffwechsel nach

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Leben nur von Luft und Liebe… naja, zumindest von Luft. Denn die genügt einigen Mikroorganismen zum Überleben. Dabei nutzen sie nicht einmal den Sauerstoff, sondern die geringen Spuren von Wasserstoff in unserer Atmosphäre. Wie diese minimalistische Form der Energiegewinnung in Mikroben abläuft, haben nun Forscher im Labor nachgestellt.

Forschende der Universität Bern haben in Zusammenarbeit mit Forschenden aus Australien und Neuseeland einen bedeutenden Prozess im Labor nachgebaut, der es Organismen ermöglicht, Energie direkt aus der Luft zu gewinnen. Damit bestätigen sie, dass gewisse Organismen wie Bakterien tatsächlich nur von Luft leben können, ohne auf Sonnenlicht oder andere Energiequellen angewiesen zu sein. Die Erkenntnisse zeigen neue Möglichkeiten zur nachhaltigen Energiegewinnung auf.

Die unsichtbare Mischung um uns herum

Die Erdatmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff (ca. 78 %). Nur 20 % sind der für uns und die meisten anderen Organismen lebensnotwendige Sauerstoff. Der Rest verteilt sich auf Argon (knapp 1 %) und Spuren anderer Edelgase sowie 0,04 % Kohlendioxid (das trotz seines geringen Anteils in der Atmosphäre maßgeblich zum Klimawandel beiträgt).

Noch viel geringer ist die Konzentration von Wasserstoff in der Atmosphäre. Das Gas, was als Energieträger die Abkehr von fossilen Brennstoffen erleichtern soll, findet sich natürlicherweise in einer Konzentration von 0,00005 % in der Luft, als etwa 1.000-mal verdünnter als CO₂. Erstaunlich ist, dass die Wasserstoffkonzentration nahezu konstant bleibt, obwohl jährlich 70 Millionen Tonnen H₂ neu produziert werden – vor allem durch photochemische Prozesse in der Natur sowie menschliche Produktion.

Die erstaunliche Welt der Einzeller

Energie aus Stickstoff: Die Mikrobe macht‘s möglich

Rätselhaft beständig: der Wasserstoffanteil in der Luft

Der Grund für diese Konstanz von Wasserstoff in der Atmosphäre war lange unklar, doch inzwischen ist bekannt, dass Mikroorganismen wie Bakterien im Erdboden den größten Teil davon aufnehmen und als Energiequelle nutzen. Spezialisierte Enzyme, so genannte Hydrogenasen, fangen die äußerst seltenen Wasserstoffmoleküle aus der Luft ein und wandeln sie in Energie um.

Forschenden der Universität Bern gelang es nun gemeinsam mit Kollegen der University of Otago, der Queensland University of Technology, der Monash University und der University of Melbourne, erstmals den theoretischen Prozess der Energiegewinnung von Organismen aus dem Wasserstoff in der Luft im Labor nachzubauen. Die Ergebnisse liefern den ersten Beweis, dass der Prozess tatsächlich stattfindet und erklären unter anderem, weshalb gewisse Organismen lange ohne die Energie der Sonne oder anderer Energiequellen auskommen.

Energie mit lautem Knall – oder ganz leise in der Zelle

Der Prozess der Energiefreisetzung ist den meisten durch die Knallgasreaktion aus Schule oder Studium bekannt: Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis 2:1 gemischt und entzündet, reagiert unter lautem Knall zu Wasser

Prof. Dr. Christoph von Ballmoos, Forschungsgruppenleiter in der Abteilung für Chemie, Biochemie und Pharmazie der Universität Bern und Initiator sowie Letztautor der Studie, erklärt: „In der Bakterienzelle findet im Grunde dieselbe Reaktion statt. Allerdings wird sie strikt durch Enzyme kontrolliert katalysiert und benötigt keine Initialzündung. Die Reaktion in Bakterien ist dabei in mindestens drei Schritte aufgeteilt, um die freigewordene Energie in Form von zellulärer Energie ATP zu speichern, statt sie, wie im Knallgasexperiment, als Wärme zu verlieren.“

Adenosintriphosphat (ATP) ist die wichtigste Energiequelle in der Zelle und dient zahlreichen Aufgaben wie der Nahrungsaufnahme oder der Produktion von DNA und Proteinen. Dabei agiert ATP wie eine kleine wiederaufladbare Batterie, die sich nach ihrer Nutzung wieder regeneriert.

Modell der Zellatmung

Um zu prüfen, ob dieser theoretische Prozess tatsächlich in Organismen stattfinden kann, bauten die Forschenden Atmungskette aus aufgereinigten Komponenten nach.

In der aktuellen Studie stellten die Forschenden eine minimale, synthetische Atmungskette aus nur drei Enzymen her, die in einer künstlichen Lipid-Membran eingebettet waren. Eines der Enzyme (die Hydrogenase) stammte aus Australien, die beiden anderen (Protonenpumpe und Nanoturbine) aus Bern. „Eine Schwierigkeit dieses Experiments, die wir schließlich überwinden konnten, war, die Proteine so in die Membran einzubauen, dass die Protonen in die richtige Richtung gepumpt werden“, sagt Stefan Moning, Zweitautor der Studie und Doktorand in von Ballmoos‘ Arbeitskreis.

Im Modell wollten die Forscher testen, ob die Zellatmung auf Wasserstoffbasis tatsächlich in Organismen stattfinden kann.

„In den Menschen findet die Zellatmung in den Mitochondrien statt und wandelt die aus der Nahrung stammende Energie in ATP um“, erläutert von Ballmoos. „Dabei werden Elektronen von energiereichen Molekülen schrittweise auf Sauerstoff übertragen. Die so freiwerdende Energie wird genutzt, um einen Protonenzyklus anzutreiben, welcher mittels einer Nanoturbine ATP generiert.“

Leben von Luft ist möglich

Die Experimente untermauern die Theorie, dass bestimmte Organismen ihre zum Leben notwendige Energie nur aus den Bestandteilen von Luft herstellen können. „Obwohl Wasserstoff nur in verschwindend kleinen Mengen in der Luft vorhanden ist, schaffen es die drei Enzyme, die Energie aus der Reaktion zu konservieren und in ATP umzuwandeln“, sagt von Ballmoos. „Das ist umso beeindruckender, als dass Sauerstoff 400.000-mal häufiger in der Luft vorkommt als Wasserstoff, also weit weg von den idealen Bedingungen der Knallgasreaktion. Obwohl der Prozess nur langsam abläuft, ist er ausreichend, um einen Organismus in schlechten Zeiten über die Runden zu bringen, wie wir berechnet haben.“

Der Prozess erklärt den Forschern zufolge nicht nur, weshalb die Wasserstoffkonzentration in der Atmosphäre konstant bleibt. Die Ergebnisse seien auch ein Erklärungsansatz, weshalb Leben in der trockenen Wüste der Antarktis möglich ist, obwohl dort keine organischen Moleküle vorhanden sind

„Es wird vermutet, dass weitere Spurengase in der Luft wie Kohlenmonoxid oder Methan ähnliche Prozesse ermöglichen. Aber experimentell wurde es nun das erste Mal mit Wasserstoff gezeigt“, sagt von Ballmoos.

Nachhaltige Energie und Medikamente

Die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff hat als einziges Abfallprodukt reines Wasser. „Dies macht die Methode zu einer der umweltfreundlichsten Formen der Energiegewinnung, vergleichbar zu jener durch Sonnenlicht“, sagt Sarah Soom, Erstautorin der Studie und ehemalige Masterstudentin in von Ballmoos‘ Gruppe.

Geschwindigkeit der ATP-Produktion ließe sich den Wissenschaftlern zufolge um ein Vielfaches steigern, wenn der Wasserstoff in höherer Konzentration vorliegt. Sollte dies gelingen, etwa durch licht-katalysierte Wasserspaltung, könnte der Prozess neue Maßstäbe zur ATP-Herstellung in der synthetischen Biologie setzen.

Die kontinuierliche und nachhaltige Produktion von Adenosintriphosphat ist beispielsweise wichtig für enzymgestützte Medikamentenherstellung oder das Verständnis der Entstehung des Lebens in Modellsystemen.

„Noch sind viele Fragen offen, und die synthetische Atmungskette kann weiter optimiert werden. Die Arbeit ist jedoch ein Meilenstein zur Machbarkeit und ein Anfang für weitere spannende Anwendungsmöglichkeiten“, resümiert von Ballmoos.

Originalpublikation: Soom, S. et al.: ATP synthesis driven by atmospheric hydrogen concentrations. PNAS. Vol. 122 | No. 30 (2025); DOI: 10.1073/pnas.2506353122

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