Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Seltene Erden in Bakterien

28.10.2013
Methan-abbauende Bakterien aus heißen Quellen benötigen die kostbaren Metalle zur Energiegewinnung

Seltene Erden gehören zu den wertvollsten Rohstoffen überhaupt. Die Metalle stecken in Mobiltelefonen, Bildschirmen und Computern. Aber auch für manche Organismen sind sie offenbar unverzichtbar.


Die Methanol-Dehydrogenase des Bakteriums Methylacidiphilum fumariolicum nutzt das Seltene Erden Metall Cerium (Ce) als Co-Faktor.

© MPI f. medizinische Forschung/Barends

In einer heißen Quelle hat ein Forscher-Team, mit dabei auch Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg, ein Bakterium entdeckt, das Seltene Erden zum Wachsen braucht: Methylacidiphilum fumariolicum benötigt Lanthanum, Cerium, Praseodymium oder Neodymium als Co-Faktoren für das Enzym Methanol-Dehydrogenase, mit dem es seine Energie gewinnt. Möglicherweise ist der Gebrauch von Seltene Erden unter Bakterien weiter verbreitet als gedacht.

Eigentlich sind die 17 zur Gruppe der Seltenen Erden gehörenden Metalle gar nicht selten. In der Erdkruste lagern größere Mengen als beispielsweise von Gold oder Platin. Allerdings sind die Elemente verhältnismäßig gleichmäßig verteilt, so dass der Abbau nur an wenigen Stellen wirtschaftlich ist.

Rar sind die Seltenen Erden dagegen in der belebten Natur. Da sie sich in Wasser nur sehr schwer lösen, können die meisten Organismen sie nicht für ihren Stoffwechsel verwenden. Umso überraschender ist die Entdeckung in einer Schlammpfütze vulkanischen Ursprungs im italienischen Solfatara. Hier haben Mikrobiologen von der Radboud-Universität in Nijmegen, Niederlande, eine Mikrobe gefunden, die ohne einige der Seltenen Erden nicht leben kann. Methylacidiphilum fumariolicum gehört zu einer Gruppe von Bakterien, die sich einen äußerst unwirtlichen Lebensraum ausgesucht haben: Sie gedeihen am besten bei einem pH-Wert zwischen 2 und 5 und Temperaturen zwischen 50 und 60 Grad – Bedingungen also, die für andere Organismen tödlich sind. Methylacidiphilum toleriert sogar pH-Werte unter 1, was konzentrierter Schwefelsäure entspricht.

Ihre Energie gewinnen die Bakterien aus Methan. Sie besitzen dafür ein spezielles Enzym, die Methanol-Dehydrogenase, das das beim Abbau des Methans entstehende Methanol mit Hilfe metallischer Co-Faktoren weiter verarbeitet. Die meisten dieser Bakterien verwenden dafür Kalzium.

Bei ihren Untersuchungen fiel den Forschern auf, dass Methylacidiphilum im Labor nur mit originalem Wasser aus dem Schlammtümpel gedieh. Keines der Spurenelemente, das die Forscher zu den Kulturschalen gaben, regte die Mikroben zum Wachstum an. Eine Analyse ergab, dass das Wasser hundert bis tausend Mal mehr Seltene Erden enthielt als normal.

Thomas Barends und Andreas Dietl vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung haben die dreidimensionale Struktur der Methanol-Dehydrogenase untersucht. Dabei fiel ihnen auf, dass Methylacidiphilum fumariolicum in seiner Methanol-Dehydrogenase kein Kalzium, sondern ein Atom eines anderen Metalls eingebaut hat.

"Dann passte auf einmal alles zusammen", erklärt Thomas Barends. "Wir konnten zeigen, dass es sich bei diesem geheimnisvollen Atom um ein Seltenes Erdmetall handeln muss. Dies ist das erste Mal überhaupt, dass eine solche biologische Funktion für Seltene Erde gefunden wurde.“

Methylacidiphilum benutzt die Seltenen Erden Lanthanum, Cerium, Praseodymium und Neodymium in seiner Methanol-Dehydrogenase an Stelle von Kalzium. Das Bakterium braucht sie, um aus Methan Energie zu gewinnen. Die Seltenen Erden besitzen einen etwas größeren Ionenradius als Kalzium, können dieses aber trotzdem als Co-Faktor von Enzymen ersetzen. „In der Aminosäurekette der Methanol-Dehydrogenase des Bakteriums sind einzelne Aminosäuren ausgetauscht worden. Dadurch entsteht mehr Platz für die Metalle“, sagt Barends. Methylacidiphilum nimmt zudem mehr Seltene Erden auf als es zum Überleben braucht. Es könnte also sein, dass es die Metalle in der Zelle speichert.

Genom- und Proteom-Analysen lassen vermuten, dass die Methylacidiphilum-Variante der Methanol-Dehydrogenase vor allem unter Bakterien aus Küstengewässern weit verbreitet ist. Auch auf der Blattoberfläche von Pflanzen haben Wissenschaftler damit ausgestattete Methan-verwertende Bakterien entdeckt. Pflanzen können Seltene Erden anreichern und so die Versorgung für die Bakterien sicherstellen. „Möglicherweise kommen solche Bakterien aber auch überall dort vor, wo es genügend Nachschub an Sand gibt. Denn Sand ist eine nahezu unerschöpfliche Quelle für Seltene Erden“, sagt Barends.

Ansprechpartner

Dr. Thomas Barends
Max-Planck-Institut für medizinische Forschung, Heidelberg
Telefon: +49 6221 486-508
E-Mail: thomas.barends@­mpimf-heidelberg.mpg.de
Originalpublikation
Arjan Pol, Thomas R. M. Barends, Andreas Dietl, Ahmad F. Khadem, Jelle Eygensteyn, Mike S. M. Jetten, and Huub J. M. Op den Camp
Rare earth metals are essential for methanotrophic life in volcanic mudpots
Environmental Microbiology, Oktober 2013, doi:10.1111/1462-2920.12249

Dr. Thomas Barends | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/7586050/bakterium_seltene_erden

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wie sich das Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält
22.05.2017 | Ruhr-Universität Bochum

nachricht Myrte schaltet „Anstandsdame“ in Krebszellen aus
22.05.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Im Focus: XENON1T: Das empfindlichste „Auge“ für Dunkle Materie

Gemeinsame Meldung des MPI für Kernphysik Heidelberg, der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster

„Das weltbeste Resultat zu Dunkler Materie – und wir stehen erst am Anfang!“ So freuen sich Wissenschaftler der XENON-Kollaboration über die ersten Ergebnisse...

Im Focus: World's thinnest hologram paves path to new 3-D world

Nano-hologram paves way for integration of 3-D holography into everyday electronics

An Australian-Chinese research team has created the world's thinnest hologram, paving the way towards the integration of 3D holography into everyday...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

Branchentreff für IT-Entscheider - Rittal Praxistage IT in Stuttgart und München

22.05.2017 | Veranstaltungen

Flugzeugreifen – Ähnlich wie PKW-/LKW-Reifen oder ganz verschieden?

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Myrte schaltet „Anstandsdame“ in Krebszellen aus

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

22.05.2017 | Physik Astronomie

Wie sich das Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie