21.10.2015 Wie Mikroorganismen über Nano-Stromnetze ihre Energieversorgung meistern

Gut verdrahtet: Wie Mikroorganismen über Nano-Stromnetze ihre Energieversorgung meistern und das Treibhausgas Methan knacken

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. Jetzt berichten sie darüber in der Fachzeitschrift Nature.

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.

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.

So funkt es zwischen den Zellen. Die rot dargestellten Archaeen sind die Stromversorger. Sie setzen bei der Oxidation von einem Molekül Methan acht Elektronen frei, die über die Nanodrähte zum grün dargestellten Sulfatreduzierer fließen. Dort wird mit diesen acht Elektronen ein Molekül Sulfat in Schwefelwasserstoff umgewandelt.
Die Expression der Gene für Cytochrome c und die Pili lief sofort auf Hochtouren, wenn die Forscher Methan und Sulfat zur Kultur gaben und stoppte sofort, wenn Wasserstoff zur Verfügung stand, zusammen mit den elektronenmikroskopischen Aufnahmen ein Hinweis für den Energietransport via Stromkabel. Bildquelle: Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Bremen.

Mit Hilfe der Elektronenmikroskopie entdeckten die Wissenschaftler die Nano-Drähte, die bis zu mehreren Mikrometer lang wurden, einem Mehrfachen des Zelldurchmessers. Die Länge des weißen Balkens entspricht einem Mikrometer. Die Pfeile verweisen auf die Nano-Drähte. (A=ANME-Archaeen, H=HotSeep-1 Partnerbakterien)
Bildquelle: Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie, Göttingen

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