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Wissenschaftler haben das Molekül gefunden, das es Bakterien ermöglicht, Elektrizität ‚auszuatmen‘

1. Oktober 2020 | Allgemein | Autarkie | Freies Leben | Natur | Umwelt | Wirtschaft | Finanzen | Wissenschaft | Forschung | connectiv.events

 

Für mund- und lungenlose Bakterien ist die Atmung etwas komplizierter als für Menschen.

Wir atmen Sauerstoff ein und atmen Kohlendioxid aus; Geobacter – eine allgegenwärtige, im Grundwasser lebende Bakteriengattung – verschlucken organischen Abfall und „atmen“ Elektronen aus und erzeugen dabei einen winzigen elektrischen Strom.

Diese Abfallelektronen müssen immer irgendwo hin (normalerweise in ein reichlich vorhandenes unterirdisches Mineral wie Eisenoxid), und Geobacter haben ein unkonventionelles Werkzeug, um sicherzustellen, dass sie dorthin gelangen.

„Geobacter atmen durch einen im Wesentlichen riesigen Schnorchel, der hunderte Male so groß ist wie sie“, sagte Nikhil Malvankar, Assistenzprofessor am Microbial Science Institute der Yale University in Connecticut, gegenüber Live Science.

Dieser „Schnorchel“ wird als Nanodraht bezeichnet. Obwohl diese winzigen, leitfähigen Fäden 100.000 Mal kleiner als die Breite eines menschlichen Haares sind, sind sie in der Lage, Elektronen zu transportieren, die hundert- bis tausendmal so lang sind wie der Körper einer einzelnen Geobacter-Mikrobe.

Dank dieser Anpassung gehören Geobacter zu den beeindruckendsten Atmungsgeräten der Erde. („Man kann doch nicht 300 Meter vor sich ausatmen, oder?“ sagte Malvankar).

Zu jeder Zeit schwirren Milliarden der Bakterien unter dem Meeresboden mit Elektrizität umher. Nun haben Malvankar und seine Kollegen in einer neuen Studie, die am 17. August in der Zeitschrift Nature Chemical Biology veröffentlicht wurde, herausgefunden, wie diese Energie in ein starkes, mikrobielles Stromnetz kombiniert werden kann.

Mit Hilfe fortschrittlicher Mikroskopietechniken haben die Forscher das „geheime Molekül“ aufgedeckt, das es Geobacter ermöglicht, über ungeheuer weite Strecken zu atmen, wie es bisher bei Bakterien nicht möglich war.

Das Team fand auch heraus, dass die Mikroben durch die Stimulierung von Geobacter-Kolonien mit einem elektrischen Feld Elektrizität 1.000 Mal effizienter leiteten als in ihrer natürlichen Umgebung.

Das Verständnis dieser angeborenen, elektrischen Anpassungen könnte ein entscheidender Schritt bei der Umwandlung von Geobacter-Kolonien in lebende, atmende Batterien sein, sagten die Forscher.

„Wir glauben, dass diese [Entdeckung] genutzt werden könnte, um aus den Bakterien unter Ihren Füßen Elektrizität zu machen“, sagte Malvankar.

 

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Eine höchst schockierende Mikrobe

Da Geobacter tief unter der Erde in einem feuchten, sauerstoffarmen Boden zu Hause ist, kann es in einer rauen Umgebung überleben, wie es nur wenige andere Mikroben können, so die Autoren der Studie.

Nanodrähte, die es ihnen ermöglichen, in Abwesenheit von Sauerstoff zu atmen, sind entscheidend, um Geobacter-Mikroben im Boden am Leben zu halten, wo Elektronenakzeptoren wie Eisenoxid selten weiter als einige Millionstel Meter entfernt sind.

Im Labor gezüchtete Geobacter-Kolonien haben jedoch nicht immer den Luxus, in der Nähe reichlich vorhandener Mineralien zu leben.

In früheren Untersuchungen fanden Malvankar und Kollegen heraus, dass im Labor gezüchtete Geobacter sulfurreducens-Mikroben einen weiteren cleveren Überlebenstrick zeigen, wenn sie einer kleinen Elektrode oder einer elektrisch leitenden Scheibe ausgesetzt werden.

Durch das elektrische Feld stimuliert, versammeln sich die Mikroben zu dichten Biofilmen – miteinander verbundene Haufen von Hunderten einzelner Mikroben, die Elektronen durch ein einziges gemeinsames Netzwerk bewegen.

„Sie stapeln sich wie Hochhauswohnungen, hunderte von Stockwerken hoch“, sagte Malvankar. „Und sie alle können sich das gleiche Stromnetz teilen und ständig Elektronen abladen.“

Die grosse Frage, die Malvankar und seine Kollegen irritierte, ist, wie die Mikroben im „100. Stockwerk des Hochhauses“, wie er es ausdrückte, in der Lage sind, Elektronen bis zum Boden des Stapels zu schiessen und dann durch einen Nanodraht nach aussen zu befördern – und dabei effektiv Elektronen über eine Distanz auszuatmen, die tausendmal länger ist als die ursprüngliche Körperlänge der Mikrobe.

 

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Solche Entfernungen sind „bisher unbekannt“ in der mikrobiellen Atmung, sagte Malvankar, und unterstreichen, wie einzigartig Geobacter sind, wenn es darum geht, in rauen Umgebungen zu überleben.

Um den Geheimnissen des Nanodrahts auf die Spur zu kommen, analysierten die Autoren der neuen Studie Kulturen von im Labor gewachsenen Geobacter mit zwei hochmodernen Mikroskopietechniken.

Die erste, die als hochauflösende Rasterkraftmikroskopie bezeichnet wird, sammelte detaillierte Informationen über die Struktur von Nanodrähten, indem ihre Oberfläche mit einer extrem empfindlichen mechanischen Sonde berührt wurde.

„Es ist so ähnlich wie das Lesen von Blindenschrift, aber die Unebenheiten betragen ein Milliardstel Meter“, erklärte die leitende Studienautorin Sibel Ebru Yalcin, Forscherin am Yale Microbial Sciences Institute, gegenüber Live Science.

Mit der zweiten Technik, der so genannten Infrarot-Nanospektroskopie, identifizierten die Forscher spezifische Moleküle in den Nanodrähten auf der Grundlage der Art und Weise, wie sie das einfallende Infrarotlicht streuten. Mit diesen beiden Methoden sahen die Forscher den „einzigartigen Fingerabdruck“ jeder Aminosäure in den Proteinen, aus denen Geobacter’s charakteristische Nanodrähte bestehen, sagte Yalcin.

Das Team fand heraus, dass Geobacter, wenn es durch ein elektrisches Feld stimuliert wird, eine bisher unbekannte Art von Nanodraht aus einem Protein namens OmcZ herstellt.

Dieses Protein, das aus winzigen, metallischen Bausteinen namens Hämes besteht, erzeugte Nanodrähte, die Elektrizität 1.000 Mal effizienter leiteten als die typischen Nanodrähte, die Geobacter im Boden erzeugt, so dass die Mikroben Elektronen über beispiellose Entfernungen senden konnten.

„Es war bekannt, dass Bakterien Elektrizität erzeugen können, aber niemand kannte die molekulare Struktur“, sagte Malvankar. „Endlich haben wir dieses Molekül gefunden.“

 

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Lebende, atmende Batterien

Seit mehr als einem Jahrzehnt verwenden Forscher Geobacter-Kolonien für die Stromversorgung kleiner Elektronikgeräte. Ein großer Vorteil dieser so genannten mikrobiellen Brennstoffzellen ist ihre Langlebigkeit.

Bakterien können sich fast unbegrenzt reparieren und reproduzieren und dabei eine kleine, aber konstante elektrische Ladung erzeugen; in einem Experiment der US-Marine aus dem Jahr 2008 setzten Forscher eine Geobacter-Brennstoffzelle ein, um eine kleine Wetterboje im Potomac River in Washington D.C. mehr als neun Monate lang mit Strom zu versorgen, ohne Anzeichen einer Verschlechterung zu zeigen.

Die von diesen Brennstoffzellen bereitgestellte Ladung ist jedoch extrem gering (die Navy-Boje lief mit etwa 36 Milliwatt oder Tausendstel Watt Leistung), was die Arten von Elektronik, die sie betreiben können, stark einschränkt.

Dank dieser neuen Forschung wissen die Wissenschaftler nun, wie mikrobielle Nanodrähte manipuliert werden können, um sie stärker und leitfähiger zu machen. Diese Informationen könnten die Produktion von Bio-Elektronik sowohl billiger als auch einfacher machen, sagte Malvankar und leitete damit hoffentlich eine neue Generation von umweltfreundlichen, bakterienbetriebenen Batterien ein.

Wir seien noch weit davon entfernt, unsere iPhones mit einer Handvoll Geobacter aufzuladen, fügte er hinzu, aber die Kraft des mikroskopisch kleinen elektrischen Gitters unter unseren Füßen sei gerade etwas greifbarer geworden.

 

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