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Mögliche Urform der Energiegewinnung in Bakterien entdeckt

Ur-Energie: Der Stoffwechsel aller Stoffwechsel?

| Autor/ Redakteur: Dr. Manuela Schüngel* / Dr. Ilka Ottleben

Mikoorganismen sind echte Überlebenskünstler: aus fast jeder chemischen Reaktion schaffen sie es, Energie zu gewinnen – solange sie einen Bruchteil der zellinternen „Energiewährung“ ATP liefert. Dies gelingt ihnen selbst in unwirtlichster Umgebung. Und offenbar schon sehr lange. Nun ist ein Forscherkonsortium einem möglichen Ur-Stoffwechsel in Bakterien auf die Spur gekommen. Ein Mineral namens Katzengold spielt dabei eine tragende Rolle.

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Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Pyrit-bildenden Anreicherungskultur aus Kläranlagen, in der die Mikroorganismen in rot und Pyritkristalle in gelb hervorgehoben wurden.
Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Pyrit-bildenden Anreicherungskultur aus Kläranlagen, in der die Mikroorganismen in rot und Pyritkristalle in gelb hervorgehoben wurden.
(Bild: DSMZ/Prof. Dr. Michael Pester)

Braunschweig – Mikroorganismen wachsen in den unwirtlichsten Umgebungen – auch weil es Ihnen gelingt, aus fast jeder chemischen Reaktion Energie zu gewinnen. Diese bemerkenswerte Eigenschaft machte sie zu den ersten Besiedlern unserer Erde, zu Zeiten als alles Leben seinen Anfang nahm.

Einem möglichen Ur-Stoffwechsel in Bakterien, gewissermaßen dem möglichen Anfang allen Stoffwechsels, ist ein Konsortium aus Umweltmikrobiologen des Leibniz-Instituts DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen in Braunschweig, der Universität Konstanz und der Universität Tübingen nun auf der Spur. Denn die Forscher haben entdeckt, dass Mikroorganismen die Bildung des Minerals Pyrit – besser bekannt als Katzengold – aus Eisensulfid und Schwefelwasserstoff katalysieren können. Dieser Prozess läuft seit Anbeginn der Erdgeschichte in Sedimenten und Tiefsee-Hydrothermalquellen ab und wurde als erster energieliefernder Prozess für die Entstehung von Leben postuliert..

Katzengold und die Wiege des Lebens

Pyrit ist das häufigste Eisen-Schwefel-Erz unserer Erde. Pro Jahr werden schätzungsweise fünf Millionen Tonnen Pyrit hauptsächlich in marinen Sedimenten gebildet. Über geologische Zeiträume und komplexe biogeochemische Mechanismen führte dies zu einer Stabilisierung des heutigen Sauerstoffgehalts in der Luft.

Gleichzeitig ist bekannt, dass Pyrit bereits auf der Ur-Erde in marinen Hydrothermalquellen gebildet wurde, die derzeit als die wahrscheinlichste Wiege des Lebens angenommen werden. Hier wird die Pyritbildung als der entscheidende energieliefernde Prozess für einen autokatalytischen Stoffwechsel diskutiert, aus dem später Leben hervorging.

Pyritbildung erfolgt nicht allein auf chemischem Weg

Bisher war die Pyritbildung als ein rein (geo-)chemischer Prozess bekannt. Doch jetzt hat das Forscherteam entdeckt, dass auch Bakterien aus der Umwandlung von Eisensulfid und Schwefelwasserstoff zu Pyrit Energie zum Leben gewinnen können. Dies haben Professor Michael Pester vom Leibniz-Institut DSMZ zusammen mit Joana Thiel sowie Professor Bernhard Schink von der Universität Konstanz und Dr. James M. Byrne sowie Professor Andreas Kappler von der Universität Tübingen unter Laborbedingungen genauer untersucht.

Bakterien aus Kläranlagen als Modellsystem für sehr alten Stoffwechsel?

Die Wissenschaftler reicherten unter Sauerstoffausschluss Umweltmikroorganismen aus verschiedenen Sedimenten und Kläranlagen an, wobei sie die chemischen Verbindungen Eisensulfid, Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid als einzige Substrate anboten. Mithilfe modernster Messmethoden konnten die Wissenschaftler feststellen, dass daraus Pyrit sowie Methan gebildet wurden. Dies geschah allerdings nicht über Nacht, sondern über sehr lange Zeiträume von mehreren Monaten bis zu einem halben Jahr, was auf die magere Energieausbeute aus diesem Prozess schließen lässt. Dabei waren die Prozesse der Pyrit- und Methanbildung eng miteinander verwoben und voneinander abhängig.

Interessanterweise zeigten die Anreicherungen aus Kläranlagen die höchsten Aktivitäten und können jetzt als Modellsystem für die Entschlüsselung dieses wahrscheinlich sehr alten Stoffwechsels herangezogen werden, der auch heute noch Mikroorganismen, die tief in marinen Sedimenten begraben sind, vor dem Hungertod rettet.

Originalpublikation: Thiel J., Byrne J. M., Kappler A., Schink B., Pester M. (2019) Pyrite formation from FeS and H2S is mediated through microbial redox activity. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., in press. https://doi.org/10.1073/pnas.1814412116

* Dr. M. Schüngel: Leibniz-Institut DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, 38124 Braunschweig

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