Wie Wasserstoff schon am Ursprung des Lebens nutzbar wurde

Das Bild zeigt einen alkalischen Hydrothermalschlot, der Wasserstoff produziert aus der Sulis-Formation im Hydrothermalfeld Lost City im Mittleren Atlantik.
(c) Susan Lang, U. of South Carolina /NSF/ROV Jason 2018 © Woods Hole Oceanographic Institution

Publikation in PNAS beschreibt evolutionären Schlüsselprozess.

Ein neue Studie beschreibt, wie Wasserstoffgas, die Energie der Zukunft, in der Vergangenheit, am Ursprung des Lebens vor 4 Milliarden Jahren, Energie lieferte. Neue Erkenntnisse darüber, wie die ersten Zellen auf der Erde dazu kamen, H2 als Energiequelle zu nutzen, werden in der Fachzeitschrift „The Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht. Die Studie stammt von einem Team um William F. Martin von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und Martina Preiner vom Max-Planck-Institut (MPI) für terrestrische Mikrobiologie in Marburg, das von Forschenden in Deutschland und Asien unterstützt wurde.

Ein neue Studie beschreibt, wie Wasserstoffgas, die Energie der Zukunft, in der Vergangenheit, am Ursprung des Lebens vor 4 Milliarden Jahren, Energie lieferte. Wasserstoffgas ist ein sauberer Brennstoff. Es verbrennt mit dem Sauerstoff der Luft und liefert Energie ohne CO2. Wasserstoff ist ein Schlüssel zu nachhaltiger Energie für die Zukunft. Obwohl die Menschen die Vorteile von Wasserstoffgas (H2 in der chemischen Kurzform) erst jetzt erkennen, wissen die Mikroben, dass H2 ein guter Brennstoff ist seit es Leben auf der Erde gibt. Er ist eine uralte Energie. Die allerersten Zellen auf der Erde lebten von H2, das in hydrothermalen Schloten produziert wurde, und nutzten die Reaktion von H2 mit CO2, um die Moleküle des Lebens herzustellen. Mikroben, die durch die Reaktion dieser beiden Gase gedeihen, können in völliger Dunkelheit leben und unheimliche, ursprüngliche Lebensräume wie hydrothermale Schlote in der Tiefsee oder heiße Gesteinsformationen tief in der Erdkruste bewohnen – Umgebungen, von denen viele Wissenschaftler glauben, dass dort das Leben selbst entstanden ist. Überraschende neue Erkenntnisse darüber, wie die ersten Zellen auf der Erde dazu kamen, H2 als Energiequelle zu nutzen, werden aktuell in der Fachzeitschrift PNAS (The Proceedings of the National Academy of Sciences) veröffentlicht. Die Studie stammt von einem Team um William F. Martin von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und Martina Preiner vom Max-Planck-Institut (MPI) für terrestrische Mikrobiologie in Marburg, das von Forschenden in Deutschland und Asien unterstützt wurde.

Um Energie zu gewinnen, müssen die Zellen die Elektronen aus H2 zunächst energetisch bergauf befördern. „Das ist so, als würde man einen Fluss bitten, bergauf statt bergab zu fließen. Zellen brauchen also technische Lösungen“, erklärt einer der drei Erstautoren der Studie, Max Brabender. Wie Zellen dieses Problem lösen, wurde erst vor 15 Jahren von Wolfgang Buckel und seinem Kollegen Rolf Thauer in Marburg entdeckt. Sie fanden heraus, dass die Zellen die beiden Elektronen im Wasserstoff auf unterschiedliche Wege schicken. Ein Elektron geht weit nach unten, so weit, dass es so etwas wie einen Flaschenzug (oder einen Siphon) in Bewegung setzt, der das andere Elektron energetisch nach oben ziehen kann. Dieser Vorgang wird als Elektronenbifurkation bezeichnet. In den Zellen sind dafür mehrere Enzyme erforderlich, die die Elektronen zu einem alten und wichtigen biologischen Elektronenträger namens Ferredoxin befördern. Die neue Studie zeigt, dass bei einem pH-Wert von 8,5, der typisch für natürlich alkalische Schlote ist, „keine Proteine erforderlich sind“, erklärt Buckel, Ko-Autor der Studie, „die H-H-Bindung von H2 spaltet sich an der Eisenoberfläche und erzeugt Protonen, die vom alkalischen Wasser verbraucht werden, und Elektronen, die dann einfach direkt auf Ferredoxin übertragen werden.“

Wie eine energetische Aufwärtsreaktion in der frühen Evolution, bevor es Enzyme oder Zellen gab, funktioniert haben könnte, war ein sehr anspruchsvolles Rätsel. „Mehrere verschiedene Theorien wurden dazu aufgestellt, wie die Umwelt die Elektronen vor der Entstehung der Elektronenverzweigung energetisch nach oben zu Ferredoxin getrieben haben könnte“, sagt Martin, „wir haben einen Prozess identifiziert, der einfacher nicht sein könnte und der unter den natürlichen Bedingungen der Hydrothermalquellen funktioniert“.

Seit der Entdeckung der Elektronenbifurkation haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler herausgefunden, dass dieser Prozess sowohl uralt als auch absolut essentiell für Mikroben ist, die von H2 leben. Chemikerinnen wie Martina Preiner und ihr Marburger Team konzentrieren sich in ihrer evolutionär orientierten Forschung auf die Auswirkungen der Umwelt für Reaktionen, die Mikroben heute nutzen. Sie kamen möglicherweise schon am Ursprung des Lebens zum Einsatz. Es stellt sich dabei das schwierige Problem: Wie wurde H2 für die Co2-Bindung nutzbar gemacht, bevor es komplizierte Proteine gab? „Metalle liefern Antworten“, sagt Preiner, „am Anfang des Lebens können Metalle unter alten Umweltbedingungen die Elektronen von H2 nach oben schicken, und wir können Relikte dieser ursprünglichen Chemie in der Biologie moderner Zellen sehen.“ Aber Metalle allein sind nicht genug. „H2 muss auch von der Umwelt produziert werden“, fügt die Ko-Erstautorin Delfina Pereira aus Preiners Labor hinzu. „Solche Umgebungen findet man in Hydrothermalquellen, wo Wasser mit eisenhaltigem Gestein interagiert und H2 produziert und wo Mikroben noch heute von diesem Wasserstoff als Energiequelle leben.“

Hydrothermale Schlote, sowohl moderne als auch uralte, erzeugen H2 in so großen Mengen, dass das Gas eisenhaltige Mineralien in metallisch glänzendes Eisen verwandeln kann. „Dass Wasserstoff aus Mineralien metallisches Eisen machen kann, ist kein Geheimnis“, sagt Harun Tüysüz, Experte für Hightech-Materialien am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung Mülheim und Mitautor der Studie. „Viele Prozesse in der chemischen Industrie nutzen H2, um während der Reaktion Metalle aus Mineralien zu machen.“ Überraschend ist, dass dies auch in der Natur geschieht, vor allem an hydrothermalen Schloten, und dass dieses natürlich abgelagerte Eisen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung des Lebens gespielt haben könnte, so Tüysüz.

Eisen war das einzige in der neuen Studie identifizierte Metall, das in der Lage war, die Elektronen in H2 zu Ferredoxin hinaufzuschicken. Die Reaktion funktioniert jedoch nur unter alkalischen Bedingungen, wie sie in einer bestimmten Art von hydrothermalen Schloten herrschen. Natalia Mrnjavac von der Düsseldorfer Gruppe und Erstautorin der Studie betont: „Das passt gut zu der Theorie, dass das Leben in solchen Umgebungen entstanden ist. Das Spannendste ist, dass solche einfachen chemischen Reaktionen eine wichtige Lücke im Verständnis des komplexen Entstehungsprozesses schließen können und dass wir heute im Labor sehen können, wie diese Reaktionen unter den Bedingungen alter Hydrothermalquellen ablaufen.“

Originalpublikation:

Max Brabender, Delfina P. Henriques Pereira Natalia Mrnjavac, Manon Laura Schlikker, Zen-Ichiro Kimura, Jeerus Sucharitakul, Karl Kleinermanns, Harun Tüysüz, Wolfgang Buckel, Martina Preiner, and William F. Martin. Ferredoxin reduction by hydrogen with iron functions as an evolutionary precursor of flavin-based electron bifurcation. Proc. Natl. Acad Sci. USA.

DOI: 10.1073/pnas.2318969121

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