Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Schutzschild gegen das Schwermetall Uran

06.06.2016

Mikroorganismen können das Schwermetall Uran besser vertragen, wenn Glutathion vorliegt, ein aus drei Aminosäuren aufgebautes Molekül. Das haben Wissenschaftler vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Universität Bern jetzt nachgewiesen, indem sie den Wärmehaushalt von Zellen genau unter die Lupe nahmen. Dabei fanden sie heraus, dass Glutathion als effizientes Entgiftungsmittel wirkt. Die Untersuchungen liefern wichtige Erkenntnisse für die biologische Sanierung von Abraumhalden und anderen belasteten Gebieten mithilfe von Bakterien oder Pflanzen.

Lebende Zellen sind kleine Kraftwerke, in denen eine Vielzahl von chemischen Reaktionen abläuft. Dabei werden winzige Wärmemengen frei. Setzt man Zellen Uran aus, kurbelt das ihren Stoffwechsel an, ohne aber zu gesteigertem Wachstum zu führen.


Wird Uran in das Molekül Glutathion eingebaut, sinkt die chemische Toxizität des Schwermetalls.

HZDR / Karim Fahmy

Diese Extraarbeit ist als erhöhte Wärmeabgabe der Organismen nachweisbar – ein Zeichen für ihren Kampf gegen das Gift. Das vierköpfige Team aus Dresden und Bern (Dr. Muhammad H. Obeid, Dr. Jana Oertel, Prof. Marc Solioz, Prof. Karim Fahmy) hat eine sehr empfindliche Methode aufgebaut, die sogenannte Mikrokalorimetrie, mit der diese Leistung gemessen werden kann – selbst wenn sie nur im Bereich von einem Mikrowatt (einem Millionstel Watt) liegt.

Die Forscher ermitteln bei ihren Versuchen zudem die Zellzahl der Kulturen und registrieren so, wie sich die Zellen teilen und wachsen. Karim Fahmy fasst die Ergebnisse zusammen: „Wir haben festgestellt, dass der Stoffwechsel mit Uran ineffizienter wird.

Die Zellen produzieren mehr Wärme, aber nicht mehr Zellen. Sie fiebern quasi!“ Die Organismen verwenden ihre Energie offenbar für Abwehrmechanismen statt für Wachstum. Ein ganz anderes Bild ergibt sich, wenn Glutathion zugegen ist. Dann nämlich wachsen die Zellen weiterhin. „Glutathion senkt die chemische Toxizität von Uran. Die Zellen halten die Belastung besser aus“, sagt der Biophysiker.

Für die Untersuchungen wurde ein Bakterium aus der Käseherstellung gewählt, Lactococcus lactis. Die Forscher nutzten einen Stamm, der über eine künstlich eingebaute Erbanlage für die Glutathion-Herstellung verfügt. Das Gen kann wahlweise ein- oder ausgeschaltet werden. So lässt sich genau kontrollieren, ob die Zellen Glutathion herstellen oder nicht. Karim Fahmy: „Wir haben damit ein sauberes Modell vorliegen und müssen das Glutathion nicht von außen zugeben.“ Störende Faktoren sind somit ausgeschlossen.

Die neuen Erkenntnisse über die schützende Wirkung von Glutathion sind wichtig für innovative Strategien der biologischen Schwermetall-Dekontamination in der Umwelt. Mit dieser sogenannten Bioremediation versucht man, Pflanzen oder Bakterien für die Sanierung von belasteten Standorten einzuspannen.

Die Organismen nehmen die Schadstoffe auf, die über eine nachfolgende „Ernte“ kontrolliert aus dem Bereich entfernt werden. Das Verfahren erscheint auch für Uran-Dekontaminationen geeignet. Wie aus den Erkenntnissen der HZDR-Forscher deutlich wird, sollte man dabei bevorzugt auf solche Organismen setzen, die über eine eigene Glutathion-Biosynthese verfügen.

Glutathion ist schon länger als „Entgifter“ im Gespräch, da es zu den Antioxidantien zählt und beispielsweise freie Radikale unschädlich macht. Allerdings fehlte es bislang an handfesten Nachweisen für seine schützende Wirkung gegen Uran. Die Dresdner Forscher haben dies nun nachgeholt. Besonders aussagekräftig sind die Ergebnisse, da sie an lebenden Organismen gewonnen wurden.

Unlöslicher und deshalb ungiftiger Komplex

Die Forscher konnten weiterhin Anhaltspunkte gewinnen, wie das Zusammenspiel von Schwermetall und Glutathion funktioniert. Karim Fahmy: „Wir sehen, dass Uran an die Carboxylgruppe von Glutathion bindet. Das ergibt einen unlöslichen Komplex, der nicht mehr giftig ist.“ Dies gilt für den untersuchten Konzentrationsbereich von 10 bis 150 Mikromol Uran – einem Gehalt, der typischerweise an belasteten Standorten im Erzgebirge vorliegt.

Bei Kupfer, so ergaben Vergleichsmessungen, laufen dagegen ganz andere Reaktionen im Zellinnern ab. Glutathion vermag hier keine schützende Wirkung zu entfalten. Die Messung von Stoffwechselwärmen für die umweltrelevante Risikobewertung von Schwermetallen wird am Institut für Ressourcenökologie des HZDR intensiv vorangetrieben. Die einzigartige Möglichkeit, dort auch mit radioaktiven Metallen zu arbeiten, erzeugt völlig neue Erkenntnisse über die Wirkung gering konzentrierter medizinisch und umweltbiologisch relevanter Radionuklide auf Organismen.

Publikation: Muhammad H. Obeid, Jana Oertel, Marc Solioz, Karim Fahmy, „Mechanism of attenuation of uranyl toxicity by glutathione in Lactococcus lactis“, in: Applied and Environmental Microbiology June 2016 (doi:10.1128/AEM.00538-16)

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Karim Fahmy
Institut für Ressourcenökologie am HZDR
Tel: +49 0351 260-2952 | E-Mail k.fahmy@hzdr.de

Medienkontakt:
Christine Bohnet | Pressesprecherin & Leitung HZDR-Kommunikation
Tel. +49 351 260-2450 | E-Mail: c.bohnet@hzdr.de
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf | Bautzner Landstr. 400 | 01328 Dresden | www.hzdr.de

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Das HZDR ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, hat vier Standorte (Dresden, Leipzig, Freiberg, Grenoble) und beschäftigt rund 1.100 Mitarbeiter – davon etwa 500 Wissenschaftler inklusive 150 Doktoranden.

Weitere Informationen:

https://www.hzdr.de/presse/bioremediation

Dr. Christine Bohnet | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Sich vermehren oder sich nicht vermehren
22.03.2019 | Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

nachricht Ketten aus Stickstoff direkt erzeugt
22.03.2019 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

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: Die Zähmung der Lichtschraube

Wissenschaftler vom DESY und MPSD erzeugen in Festkörpern hohe-Harmonische Lichtpulse mit geregeltem Polarisationszustand, indem sie sich die Kristallsymmetrie und attosekundenschnelle Elektronendynamik zunutze machen. Die neu etablierte Technik könnte faszinierende Anwendungen in der ultraschnellen Petahertz-Elektronik und in spektroskopischen Untersuchungen neuartiger Quantenmaterialien finden.

Der nichtlineare Prozess der Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) in Gasen ist einer der Grundsteine der Attosekundenwissenschaft (eine Attosekunde ist ein...

Im Focus: The taming of the light screw

DESY and MPSD scientists create high-order harmonics from solids with controlled polarization states, taking advantage of both crystal symmetry and attosecond electronic dynamics. The newly demonstrated technique might find intriguing applications in petahertz electronics and for spectroscopic studies of novel quantum materials.

The nonlinear process of high-order harmonic generation (HHG) in gases is one of the cornerstones of attosecond science (an attosecond is a billionth of a...

Im Focus: Magnetische Mikroboote

Nano- und Mikrotechnologie sind nicht nur für medizinische Anwendungen wie in der Wirkstofffreisetzung vielversprechende Kandidaten, sondern auch für die Entwicklung kleiner Roboter oder flexibler integrierter Sensoren. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) haben mit einer neu entwickelten Methode magnetische Mikropartikel hergestellt, die den Weg für den Bau von Mikromotoren oder die Zielführung von Medikamenten im menschlichen Körper, wie z.B. zu einem Tumor, ebnen könnten. Die Herstellung solcher Strukturen sowie deren Bewegung kann einfach durch Magnetfelder gesteuert werden und findet daher Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen.

Die magnetischen Eigenschaften eines Materials bestimmen, wie dieses Material auf das Vorhandensein eines Magnetfeldes reagiert. Eisenoxid ist der...

Im Focus: Magnetic micro-boats

Nano- and microtechnology are promising candidates not only for medical applications such as drug delivery but also for the creation of little robots or flexible integrated sensors. Scientists from the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) have created magnetic microparticles, with a newly developed method, that could pave the way for building micro-motors or guiding drugs in the human body to a target, like a tumor. The preparation of such structures as well as their remote-control can be regulated using magnetic fields and therefore can find application in an array of domains.

The magnetic properties of a material control how this material responds to the presence of a magnetic field. Iron oxide is the main component of rust but also...

Im Focus: Goldkugel im goldenen Käfig

„Goldenes Fulleren“: Liganden-geschützter Nanocluster aus 32 Goldatomen

Forschern ist es gelungen, eine winzige Struktur aus 32 Goldatomen zu synthetisieren. Dieser Nanocluster hat einen Kern aus 12 Goldatomen, der von einer Schale...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Größte nationale Tagung 2019 für Nuklearmedizin in Bremen

21.03.2019 | Veranstaltungen

6. Magdeburger Brand- und Explosionsschutztage vom 25. bis 26.3. 2019

21.03.2019 | Veranstaltungen

Teilchenphysik trifft Didaktik und künstliche Intelligenz in Aachen

20.03.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Die Zähmung der Lichtschraube

22.03.2019 | Physik Astronomie

Saarbrücker Forscher erleichtern durch Open Source-Software den Durchblick bei Massen-Sensordaten

22.03.2019 | HANNOVER MESSE

Ketten aus Stickstoff direkt erzeugt

22.03.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics