Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gut verdrahtet: Wie Mikroorganismen über Nano-Stromnetze ihre Energieversorgung meistern

22.10.2015

Strom wie aus der Steckdose - diese bequeme Art der Energieversorgung bewahrheitet sich scheinbar für bestimmte Mikroorganismen. Die Zellen können ihren Energiebedarf in Form von elektrischem Strom über Nano-Drahtverbindungen decken. Diese wahrscheinlich kleinsten Stromnetze der Welt haben Forscher entdeckt, als sie Zellaggregate Methan-abbauender Mikroorganismen untersuchten. Diese bestehen aus zwei völlig verschiedenen Zelltypen, die Methan nur gemeinsam abbauen können. Mithilfe genetischer und elektronenmikroskopischer Verfahren fanden sie kabelartige Verbindungen zwischen den Zellen, die erklären wie die Organismen ihren Energieaustausch organisieren.

Bremer Forscher untersuchen seit mehreren Jahren wie Methan im Meeresboden von Mikroorganismen abgebaut wird. Es bleibt ein Rätsel, wie die Methanfresser ohne Sauerstoff ihren Energiehaushalt regeln. Nun zeigen neue Ergebnisse, dass vielleicht der direkte Fluss von Elektronen zwischen Zellen des Rätsels Lösung darstellt. Jetzt berichten die Wissenschaftler darüber in der Fachzeitschrift Nature.


Die Archaeen (rot) sind die Stromversorger. Sie setzen bei der Oxidation von einem Molekül Methan acht Elektronen frei, die über die Nanodrähte zum grün dargestellten Sulfatreduzierer flie

Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Bremen.


Die Länge des weißen Balkens entspricht einem Mikrometer. Die Pfeile verweisen auf die Nano-Drähte. (A=ANME-Archaeen, H=HotSeep-1 Partnerbakterien)

Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie, Göttingen

Elektrischer Strom als Energieträger

Es war eine Sensation, als im Jahre 2010 Forscher erstmals Strom leitendende Verbindungen zwischen verschiedenen Mikroorganismen fanden. Es stellte sich nun die Frage, ob elektrischer Strom als Energieträger auch für andere mikrobielle Prozesse in der Natur in Frage kommt.

Einer dieser Prozesse ist der Abbau von Methan in Bereichen des Meeresbodens, in denen kein molekularer Sauerstoff vorhanden ist. Dieser Vorgang ist unter dem Namen „Anaerobe Oxidation von Methan“, kurz AOM, bekannt. Er ist ein klimarelevanter Prozess. Die beteiligten Mikroorganismen haben Bremer Forscher im Jahre 2000 erstmals beschrieben und seitdem intensiv studiert.

Das Klimagas Methan im Meeresboden

In den tiefen Schichten des Meeresbodens bildet sich Methan aus abgestorbener Biomasse. Dieses Gas steigt zunächst auf, doch noch vor dem Austritt ins Meer wird es im Meeresboden durch ganz spezielle Gemeinschaften (Konsortien) von bestimmten Typen von Bakterien und Archaeen abgebaut.

Die Archaeen nehmen das Methan auf und oxidieren es zu Karbonat. Dabei entstehende Energie muss den Partnerbakterien übergeben werden, damit der Prozess ablaufen kann. Die Bakterien veratmen dann statt Sauerstoff Sulfat, um ebenfalls Energie zu gewinnen (Sulfatreduzierer).

Aber in welcher Form der Transfer geschieht, blieb bis vor kurzem ein Rätsel. Dieser Prozess findet wahrscheinlich seit Milliarden von Jahren statt, und hat schon den Methangehalt in der sauerstofffreien Atmosphäre der jungen Erde beeinflusst.

Dr. Gunter Wegener, zusammen mit der Doktorandin Viola Krukenberg Erstautor der jetzt publizierten Nature-Studie, sagt: „Unser Team hat sich besondere AOM-Konsortien angeschaut, die bei 60 Grad Celsius leben. Hier gelang es erstmals, das Partnerbakterium allein wachsen zu lassen. Dann haben wir diese Kultur und die AOM-Kultur systematisch unter verschiedenen Bedingungen getestet und verglichen. Wir wollten wissen, welche Stoffe als Energieträger zwischen den Archaeen und dem Sulfatreduzierer in Frage kommen.“

Die meisten Verbindungen konnten die Forscher schnell ausschließen. Gaben die Forscher jedoch Wasserstoff und Methan gemeinsam zu den Konsortien, wurde kein Methan mehr abgebaut, stattdessen nutzten die Sulfatreduzierer den Wasserstoff. Erst als dieser aufgebraucht war, lief die Methanoxidation wieder an. Wasserstoff kam als Intermediat in Betracht, nur produzierten Archaeen nicht ausreichend davon, um das Wachstum der Sulfatreduzierer zu erklären.

Direkte Stromkabel und Elektronentransporter

Es blieb als mögliche Alternative eine direkte Stromverbindung zwischen den Zellen. Für die AOM-Kulturen traf diese Vermutung ins Schwarze. Dietmar Riedel, Leiter der Elektronenmikroskopie am Göttinger MPI sagt:

„Die Schwierigkeit bestand darin diese Verbindungen auch morphologisch nachzuweisen. Um die Strukturen nachzuweisen mussten die Proben unter Hochdruck gefroren und in Epoxidharz eingebettet werden. Danach konnten ultradünne Schnitte der so präparierten Probe in nahezu nativen Zustand am Transmissionselektronenmikroskop untersucht werden.“

Viola Krukenberg ergänzt: „Wir haben alle notwendigen Gene für den Elektronentransport gefunden und gezeigt, dass sie durch Methan und Sulfat aktiviert werden.“ Mit Methan als Energiequelle wachsen kabelartige Strukturen, so genannte Pili, von den Bakterien zu den Archaeen und docken dort an.

Die Kabel sind bis zu mehrere Mikrometer lang, also länger als eine Zelle. Sie sind mit wenigen Nanometern aber sehr dünn. Die Kabel schaffen den Kontakt zwischen den eng benachbarten Zellen und erklären auch die räumliche Struktur des Konsortiums, wie von einem Team von Forschern um Victoria Orphan von Caltech in der gleichen Nature-Ausgabe gezeigt wurde.

Wie die Forschung über diese Nano-Stromnetze weitergehen soll, fasst die Arbeitsgruppenleiterin Professor Antje Boetius zusammen: „In der Natur gibt es eine erhebliche Vielfalt von den Archaea-Bakterien-Konsortien. Der nächste Schritt ist zu schauen, ob die Stromkabel auch bei anderen Konsortien vorkommen. Wir möchten verstehen, wie diese Gemeinschaften funktionieren und wie sie ihren Stoffwechsel regeln, weil dadurch entscheidende Prozesse in der Natur gesteuert werden.“

Publikation
Intercellular wiring enables electron transfer between methanotrophic archaea and bacteria. Gunter Wegener, Viola Krukenberg, Dietmar Riedel, Halina E. Tegetmeyer and Antje Boetius. Nature, 2015 doi:10.1038/nature15733

Beteiligte Institute
Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Bremen
MARUM, Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie, Göttingen, Germany.
Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven
Centrum für Biotechnologie, Universität Bielefeld

Rückfragen an
Dr. Gunter Wegener
Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Celsiusstr. 1
D-28359 Bremen, Telefon:0421 2028 867
gwegener@mpi-bremen.de

oder an den Pressesprecher
Dr. Manfred Schlösser
Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Celsiusstr. 1
D-28359 Bremen, Telefon:0421 2028 704
mschloes@mpi-bremen.de

Weitere Informationen:

http://www.mpi-bremen.de Webseite des Bremer Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie

Dr. Manfred Schloesser | Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Antibiotikaresistenzen im Fokus der Forschung
12.12.2018 | Deutsches Zentrum für Infektionsforschung

nachricht Tödliche Kombination: Medikamenten-Cocktail dreht Krebszellen den Saft ab
12.12.2018 | Universität Basel

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: Tödliche Kombination: Medikamenten-Cocktail dreht Krebszellen den Saft ab

Zusammen mit einem Blutdrucksenker hemmt ein häufig verwendetes Diabetes-Medikament gezielt das Krebswachstum – dies haben Forschende am Biozentrum der Universität Basel vor zwei Jahren entdeckt. In einer Folgestudie, die kürzlich in «Cell Reports» veröffentlicht wurde, berichten die Wissenschaftler nun, dass dieser Medikamenten-Cocktail die Energieversorgung von Krebszellen kappt und sie dadurch abtötet.

Das oft verschriebene Diabetes-Medikament Metformin senkt nicht nur den Blutzuckerspiegel, sondern hat auch eine krebshemmende Wirkung. Jedoch ist die gängige...

Im Focus: Lethal combination: Drug cocktail turns off the juice to cancer cells

A widely used diabetes medication combined with an antihypertensive drug specifically inhibits tumor growth – this was discovered by researchers from the University of Basel’s Biozentrum two years ago. In a follow-up study, recently published in “Cell Reports”, the scientists report that this drug cocktail induces cancer cell death by switching off their energy supply.

The widely used anti-diabetes drug metformin not only reduces blood sugar but also has an anti-cancer effect. However, the metformin dose commonly used in the...

Im Focus: New Foldable Drone Flies through Narrow Holes in Rescue Missions

A research team from the University of Zurich has developed a new drone that can retract its propeller arms in flight and make itself small to fit through narrow gaps and holes. This is particularly useful when searching for victims of natural disasters.

Inspecting a damaged building after an earthquake or during a fire is exactly the kind of job that human rescuers would like drones to do for them. A flying...

Im Focus: Neuartige Lasertechnik für chemische Sensoren in Mikrochip-Größe

Von „Frequenzkämmen“ spricht man bei speziellem Laserlicht, das sich optimal für chemische Sensoren eignet. Eine revolutionäre Technik der TU Wien erzeugt dieses Licht nun viel einfacher und robuster als bisher.

Ein gewöhnlicher Laser hat genau eine Farbe. Alle Photonen, die er abstrahlt, haben genau dieselbe Wellenlänge. Es gibt allerdings auch Laser, deren Licht...

Im Focus: Topological material switched off and on for the first time

Key advance for future topological transistors

Over the last decade, there has been much excitement about the discovery, recognised by the Nobel Prize in Physics only two years ago, that there are two types...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

ICTM Conference 2019 in Aachen: Digitalisierung als Zukunftstrend für den Turbomaschinenbau

12.12.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Januar und Februar 2019

11.12.2018 | Veranstaltungen

Eine Norm für die Reinheitsbestimmung aller Medizinprodukte

10.12.2018 | Veranstaltungen

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

Biofilme generieren ihre Nährstoffversorgung selbst

12.12.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Tanz mit dem Feind

12.12.2018 | Physik Astronomie

Künstliches Perlmutt nach Mass

12.12.2018 | Materialwissenschaften

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