Ein Team um die Biowissenschaftlerin Caroline Ajo-Franklin von der Rice University hat herausgefunden, wie bestimmte Bakterien durch die Erzeugung von Elektrizität atmen. Dabei nutzen sie einen natürlichen Prozess, der Elektronen in ihre Umgebung abgibt, anstatt Sauerstoff zu atmen. Die Ergebnisse, die letzten Monat in Cell veröffentlicht wurden , könnten neue Entwicklungen in den Bereichen saubere Energie und industrielle Biotechnologie ermöglichen.
Indem die Forscher die Art und Weise aufklären, wie diese Bakterien Elektronen nach außen abgeben, eröffnen sie Einblicke in eine bislang verborgene Strategie bakteriellen Lebens. Diese Arbeit, die Biologie und Elektrochemie verbindet, legt den Grundstein für zukünftige Technologien, die die einzigartigen Fähigkeiten dieser mikroskopischen Organismen nutzen.
Die meisten modernen Organismen sind auf Sauerstoff angewiesen, um Nahrung zu verstoffwechseln und Energie freizusetzen. Sauerstoff dient als letzter Elektronenakzeptor in einer Reaktionskette, die Energie erzeugt. Bakterien, die viel älter sind als moderne Organismen wie Menschen und Pflanzen, haben jedoch andere Möglichkeiten entwickelt, in sauerstoffarmen Umgebungen zu atmen, darunter Tiefseequellen und der menschliche Darm.
Die Forscher fanden heraus, dass einige Bakterien natürlich vorkommende Verbindungen, sogenannte Naphthochinone, nutzen, um Elektronen auf äußere Oberflächen zu übertragen. Dieser Prozess, bekannt als extrazelluläre Atmung, ahmt die Entladung von Batterien nach und ermöglicht es Bakterien, ohne Sauerstoff zu gedeihen.
Wissenschaftler beobachten diese ungewöhnliche Atmungsart schon lange und nutzen sie in der Biotechnologie als eine Art Blackbox. Nun hat ein von Rice geleitetes Team ihren Mechanismus entschlüsselt – ein Durchbruch, der darauf hindeutet, dass die extrazelluläre Atmung in der Natur weitaus häufiger vorkommt als bisher angenommen.
„Dieser neu entdeckte Atmungsmechanismus ist ein einfacher und genialer Weg, diese Aufgabe zu erfüllen“, sagte Biki Bapi Kundu , Doktorandin an der Rice University und Erstautorin der Studie. „Naphthochinone wirken wie molekulare Kuriere und transportieren Elektronen aus der Zelle, damit die Bakterien Nahrung zerlegen und Energie gewinnen können.“
Simulation eines Lebens ohne Luft
Um ihre Ergebnisse zu überprüfen, arbeiteten die Rice-Forscher mit dem Palsson-Labor der University of California in San Diego zusammen. Mithilfe moderner Computermodelle simulierten sie das Bakterienwachstum in sauerstofffreien Umgebungen mit vielen leitfähigen Oberflächen.
Die Simulationen zeigten, dass Bakterien sich tatsächlich durch die Abgabe von Elektronen nach außen ernähren können. Weitere Labortests bestätigten, dass Bakterien auf leitfähigen Materialien weiter wachsen und Strom erzeugen, also quasi durch die Oberfläche atmen.
Dieser interdisziplinäre Ansatz vertiefte das Verständnis für die Vielseitigkeit des bakteriellen Stoffwechsels und enthüllte eine Echtzeitmethode zur elektronischen Überwachung und Beeinflussung des bakteriellen Verhaltens.
