Einen neuen Weg zur Speicherung von Kohlendioxid haben jetzt deutsche Forscher entdeckt: Die Meeres-Mikrobe Ignicoccus hospitalis baut aus Kohlendioxid höhere organische Moleküle auf. Hoch temperaturfeste Enzyme helfen dem Einzeller, selbst bei absoluter Dunkelheit und Wassertemperaturen von über 90°C zu überleben.
Die Forscher der Technischen Universität München (TUM) suchen zusammen mit Kollegen der Universitäten Regensburg und Freiburg in dem gemeinsamen Projekt nach neuen Strategien, mit denen aus dem Treibhausgas Kohlendioxid Zwischenprodukte für die Chemie- und Pharmaindustrie hergestellt werden können. Sie berichten über ihre Ergebnisse in der aktuellen Online-Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS Early Edition).
Die wichtigste biochemische Reaktion auf der Erde ist die Kohlendioxid-Fixierung, durch die Photosynthese der Grünpflanzen. Aus Kohlendioxid und Wasser produzieren die Pflanzen dabei energiereiche Moleküle wie Zucker und Aminosäuren. Die dafür nötige Energie liefert das Sonnenlicht.
Wasserstoff als Energiequelle
Am Boden der Tiefsee ist alles anders: Hier leben in heißen, vulkanischen Schloten Einzeller wie das Archaeum Ignicoccus hospitalis. Ohne Licht und Sauerstoff, bei hohem Druck und 90°C Wassertemperatur baut dieser Organismus die für sein Leben benötigten organischen Moleküle aus Kohlendioxid auf. Er benutzt dazu Wasserstoff als Energiequelle. Seine Enzyme und Zellmembranen sind an die mörderischen Umgebungsbedingungen angepasst. Könnte man diese Organismen oder ihre Enzyme für industrielle Prozesse nutzen, wäre dies ein Weg zu neuen, Energie sparenden und schonenden Verfahren.
Bewegt der Mensch einen Muskel, so baut eine Kette von Enzymen im so genannten Zitrat-Zyklus energiereiche Moleküle wie Zucker oder Fettsäuren ab. Als Zwischenprodukt entsteht dabei Acetyl-CoA, das im Organismus zur Erzeugung biochemisch verfügbarer Energie gebraucht wird, sowie Kohlendioxid, das er ausatmet.
Ignicoccus hospitalis macht es genau umgekehrt: Er nutzt einen modifizierten Zitrat-Zyklus, bei dem er Kohlendioxid aufnimmt und daraus energiereiche Verbindungen herstellt. Wieder ist Acetyl-CoA der zentrale Vermittler.
Das Kohlendioxid wird im ersten Schritt direkt an das Acetyl-CoA gebunden und damit in den Zyklus eingeschleust. An einer zweiten Stelle kommt ein weiteres Kohlenstoffatom dazu, das ebenfalls aus aufgenommenem Kohlendioxid stammt. Am Ende des Reaktionszyklus hat das Archaeum aus dem ursprünglich zweiatomigen Acetyl-Rest eine Verbindung mit vier Kohlenstoffatomen aufgebaut, die in zwei Acetyl-CoA-Einheiten gespalten wird. Eine davon geht in den Kreislauf zurück, die zweite steht nun als energiereicher Baustein zum Aufbau von Zuckern und Aminosäuren zur Verfügung.
Magnetresonanz-Spektroskopie hilft bei der Arbeit
Erste Hinweise auf mögliche Teilreaktionen im Stoffwechsel von Ignicoccus hospitalis lieferten Untersuchungen der Enzyme durch die Kooperationspartner im Institut für Mikrobiologie der Universität Freiburg. Um nun heraus zu bekommen, welche Änderung die Enzyme an welchem Atom der Ausgangsverbindung vorgenommen hatten, fütterten die Kollegen in Regensburg Kulturen des Archaeums mit Stoffwechselbausteinen, bei denen ein Kohlenstoffatom markiert war.
Normalerweise hat Kohlenstoff in seinem Kern sechs Protonen und sechs Neutronen und damit die Atommasse zwölf. Die TUM Wissenschaftler ließen in Zwischenprodukte des Zitratzyklus gezielt Kohlenstoffatome mit der Kernmasse 13 einbauen. An den Proben aus der Universität Regensburg konnten sie damit genau verfolgen, wie die markierten Atome im Stoffwechsel des Einzellers von einem Zwischenprodukt zum nächsten wanderten. Eine große Hilfe war dabei die Magnetresonanz-Spektroskopie (nuclear magnetic resonance, NMR) des Bayerischen NMR-Zentrums, das ebenfalls an der TU München untergebracht ist. So gelang es schließlich, den gesamten Reaktionszyklus mit allen Zwischenschritten aufzuklären.
„Diese Arbeit besticht durch das Ineinandergreifen einer Vielzahl verschiedenster Methoden und die äußerst fruchtbare Kooperation mehrerer Arbeitsgruppen mit unterschiedlichem Fokus“, erläutert Wolfgang Eisenreich von der TU München. „Im Ergebnis haben wir einen neuen Weg aufklären können, wie aus Kohlendioxid nützliche organische Verbindungen aufgebaut werden. Ein zweiter wichtiger Aspekt sind die hoch temperaturfesten Enzyme. Nun sind die anwendungsorientierten Wissenschaftler gefragt, aus den Ergebnissen neue Verfahren abzuleiten.“
Lernen von den Urformen des Lebens
Archaeen sind neben Eukaryonten und Bakterien die dritte Klasse von Lebewesen. Früher wurden sie zu den Bakterien gezählt, es zeigte sich aber, dass es zu deutliche Unterschiede zwischen Bakterien und Archaeen gibt. Die Wissenschaft sieht in den Archaeen die Urform des Lebens auf unserem Planeten. In extremen Umgebungen haben diese Urformen überlebt. Sie widerstehen stark alkalischen oder stark sauren Bedingungen, hohen Salzkonzentrationen und Temperaturen von bis zu 120°C, tödlich für alle anderen Lebewesen.
Das untersuchte Archaeum trägt den Namen Ignicoccus hospitalis („die gastliche Feuerkugel“), weil es Wirtsorganismus für ein weiteres Archaeum ist, das viel kleinere Nanoarchaeum equitans oder „reitender Urzwerg“. Beide bilden eine einzigartige, enge Lebensgemeinschaft, die allerdings bisher noch nicht vollständig aufgeklärt werden konnte. Entdeckt wurden die beiden Arten von Mitarbeitern des Archaeenzentrums der Universität Regensburg in Proben von Schloten eines Unterwasservulkans nördlich von Island.
(idw – Technische Universität München, 20.05.2008 – DLO)
