Bakterium als Vorbild für Biobrennstoffzelle

Das Bakterium Pseudomonas aeruginosa ist ein Generalist was seine Nahrungsquelle anlangt. Es wächst im Boden, im Wasser und kann in Pflanzen wie in Früchten gefunden werden. Möglich ist dies, weil das Bakterium von unterschiedlichsten Stoffen leben kann. So gewinnt es die Energie, die es zum Leben braucht, beispielsweise auch aus dem Alkohol Ethanol. Diese Tatsache hat Berliner Forscher besonders interessiert, denn möglicherweise lassen sich diese Mechanismen einmal für Sensoren oder Biobrennstoffzellen nutzen.

„Es ist dieser Wirkmechanismus, der uns in erster Linie interessiert“, meint der Physiker Robert Bittl von der Freien Universität Berlin im pressetext-Gespräch. Gemeinsam mit dem Biochemiker Helmut Görisch von der Technischen Universität Berlin ist es den Forschern gelungen Licht hinter das Geheimnis zu bringen. Für den Alkoholabbau ist im Bakterium ein bestimmtes Enzym zuständig. „Wie jedes Protein gleicht es einem Wollknäuel, dessen Fäden aus Ketten von so genannten Aminosäuren bestehen. Darin befinden sich Taschen, in die ein Ethanolmolekül hineinpasst“, erklärt Bittl. Zudem ist auch noch der Kofaktor Pyrroloquinolin-Chinon (PQQ) notwendig, um den Alkoholabbau in Gang zu setzen. Dieses PQQ spielt eine Schlüsselrolle.

„Wir wussten bisher nicht genau, wie es weiter geht, wenn das Ethanolmolekül die passende Tasche mit dem PQQ im Enzym gefunden hat“, erklärt Bittl. Den Forschern war bereits bekannt, wie die Tasche aussieht. „Es war aber bisher nie möglich, das Enzym zusammen mit Alkohol zu kristallisieren“, erklärt Bittl. „Deshalb konnte man bisher auch nicht aufklären, wie das Ethanol in der Bindungstasche sitzt. Das ist aber entscheidend für die Frage, wie das Enzym den Alkohol abbaut.“ Den beiden Wissenschaftlern ist es gelungen, festzustellen, dass sich das Ethanol so in die Tasche einnistet, dass es sehr leicht ein positiv geladenes Wasserstoffatom an das Protein und dann ein negativ geladenes Wasserstoffatom an das PQQ abgeben kann. Das Enzym setzt so eine Reaktion in Gang. „Übrig bleiben ein oxidiertes, bereits teilweise abgebautes Ethanol und ein PQQ, das zwei Elektronen mehr hat als es braucht“, erklärt der Wissenschaftler.

„Vollständig sind diese Prozesse aber noch nicht aufgeklärt“, meint der Physiker. Dadurch, dass es zahlreiche andere Mikroben gibt, die ähnlich leben, sei dieses Verständnis fundamental. Den Forschern geht es vor allem darum, die Atome an den genauen Positionen zu beschreiben, um damit tieferes Verständnis für diesen Mechanismus zu erhalten. „Wir wollen herausfinden, an welcher Seite der Substanz der Alkohol bindet.“ Die Forscher wissen, dass am Ende ein elektrochemisches Potenzial über der Zellmembran entsteht, der ähnlich ist wie in einer Batterie. Diese Energie nutzt die Bakterienzelle.

„Wenn man es schafft, das elektrochemische Potenzial abzugreifen, das bei dieser Reaktion entsteht, könnte man einen Sensor für Alkohole bauen“, meint Görisch. Vielleicht könnten Biotechnologen die Vorlage aus der Natur sogar dazu verwenden, eine Biobrennstoffzelle zu bauen, die mithilfe von Alkohol elektrische Energie erzeugt.