Sogenannte Steinfresser-Mikroorganismen beziehen ihre Energie zur Umwandlung von Kohlendioxid (CO2) aus anorganischen Quellen und bilden die große Mehrheit der Biomasse-Produzenten. Neue Erkenntnisse erlauben nun einen Blick auf ihren Membrankomplex DAB2, der für die Anreicherung von CO2 verantwortlich ist. Mithilfe von Elektronenmikroskopie und Infrarotspektroskopie hat ein Forschungsteam der Universitäten Potsdam und Marburg die Struktur von DAB2 im Schwefelbakterium Halothiobacillus neapolitanus untersucht.
Kohlendioxid (CO2) ist ein Bestandteil der Atmosphäre und liefert das zentrale Element für alles Leben auf der Erde: Kohlenstoff. Eine wichtige Rolle für die Umwandlung von CO2 spielen sogenannte autotrophe Primärproduzenten, also Lebewesen wie Cyanobakterien und Pflanzen, die CO2 mithilfe der Energie aus Sonnenlicht in komplexe Kohlenhydrate überführen. Dabei entsteht Biomasse in Form von Glukose, Stärke und Zellulose. Im Gegensatz zu den Primärproduzenten bezieht die Mehrheit der Mikroorganismen ihre Energie jedoch nicht aus Sonnenlicht, sondern nutzt anorganische Quellen wie H2, CO oder diverse Schwefelverbindungen. Man bezeichnet diese Bakterien als lithotrophe Mikroorganismen – oder auch „Steinfresser“.
Reagiert CO2 mit Wasser, so entsteht Kohlensäure, die zu Bikarbonat (HCO3–) zerfällt. CO2 gelangt spontan in die bakterielle Zelle und kann sie auch wieder verlassen, das geladene Molekül HCO3– dagegen kann die äußere Hülle (Zellmembran) ohne zusätzliche Energiezufuhr nicht überwinden. Normalerweise stellt der Verbrauch des Moleküls ATP die Energie für den Transport von HCO3– in die Zelle zur Verfügung, aber nicht so in lithoautotrophen Mikroorganismen. Diese besiedeln häufig extreme Habitate und dürfen kein ATP verschwenden. Bei ihnen sorgt der Membrankomplex DAB2 dafür, dass HCO3- direkt innerhalb der Zelle aus CO2 gebildet wird.
Das Forschungsteam aus Potsdam und Marburg ist der Frage nachgegangen, welcher Mechanismus es DAB2 ermöglicht, HCO3– gezielt und ATP-unabhängig in der Zelle anzureichern.
„Mithilfe der Elektronenmikroskopie haben wir die Struktur von DAB2 aus dem Schwefelbakterium Halothiobacillus neapolitanus untersucht und konnten zeigen, dass die oben beschriebene Kohlensäurereaktion an das Konzentrationsgefälle über der Zellmembran gekoppelt ist“, sagt Emmy-Noether-Gruppenleiter Dr. Jan Schuller von der Universität Marburg.
Über der Zellmembran entsteht ein solches Konzentrationsgefälle, also eine unterschiedliche Teilchenkonzentration innerhalb und außerhalb der Zelle, durch einseitige Anreicherung geladener Teilchen wie z.B. Protonen (H+). Dies stellt ein allgemeines Prinzip der biologischen Energiespeicherung dar.
„Zusammen mit den spektroskopischen Daten haben wir eine Theorie entwickelt, der zufolge lithoautotrophe Mikroorganismen das Konzentrationsgefälle über der Zellmembran nutzen, um eine ATP-unabhängige Umwandlung von CO2 nach HCO3– zu katalysieren“, ergänzt Dr. Sven Stripp von der Universität Potsdam, der am Institut für Chemie eine Heisenberg-Gruppe leitet.
Dadurch ist der Energiehaushalt dieser Mikroorganismen in maximaler Weise effizient und ermöglicht den Steinfressern, auch unter lebensfeindlichen Bedingungen Biomasse aufzubauen.