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18.03.2019

Bakterium verwertet Kohlenmonoxid

Wie könnte die Energiegewinnung früher Zellen funktioniert haben? Mikrobiologen der Universität in Frankfurt am Main haben darauf eine Antwort gefunden.

Sogenannte Schwarze Raucher, unterseeische Vulkanschlote, könnten die Entstehungsorte früher Mikroorganismen wie dem Thermoanaerobacter kivui gewesen sein.
Sogenannte Schwarze Raucher, unterseeische Vulkanschlote, könnten die Entstehungsorte früher Mikroorganismen wie dem Thermoanaerobacter kivui gewesen sein.
Quelle: 
MARUM/Wikimedia; CC-BY-4.0

Es gibt viele Theorien, doch keine Gewissheit: Wie genau nahm das Leben auf der Erde seinen Anfang? Der Schlüssel dazu ist die Frage, wie die ersten Organismen Energie gewonnen und ihren Metabolismus versorgt haben. Die urzeitliche Atmosphäre bot dafür Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Stickstoff. Jetzt haben Wissenschaftler der Universität Frankfurt am Main demonstriert, dass Kohlenmonoxid als Antwort in Frage kommt.

Urtümliches Bakterium an Kohlenmonoxid gewöhnt

„Kohlenmonoxid ist das energiereichste Gas in diesem Gemisch und daher wurde schon lange vermutet, dass die ersten Bakterien es verwerteten, um wachsen zu können“, erklärt Volker Müller aus der Abteilung Molekulare Mikrobiologie und Bioenergetik der Goethe-Universität. Seine Doktorandin Marie Schölmerich hat daher das hitzeliebende Bakterium Thermoanaerobacter kivui in den Blick genommen. Warum es ausgerechnet dieses Bakterium sein sollte, erläutert Müller so: „Es erfüllt alle Voraussetzungen, sich an die primitiven Lebensbedingungen dieser Zeit anzupassen: Bei 70 Grad wächst es optimal, ernährt sich nur von Gasen und kann Zellmaterial allein aus Kohlendioxid und Stickstoff aufbauen. Nur leider war es bisher noch niemandem gelungen, das Bakterium an Kohlenmonoxid zu gewöhnen.“

Bisher. Denn Schölmerich brachte viel Geduld mit, die schließlich zum Erfolg führte. Sie bot dem Bakterium, das sich von Kohlendioxid ernährt, auch Kohlenmonoxid an. Schritt für Schritt verringerte sie den Kohlendioxidanteil zugunsten des Kohlenmonoxids. Am Ende wuchs das Bakterium in einer reinen Kohlenmonoxidatmosphäre.

Enzym oxidiert Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid

Im Folgenden untersuchte die Mikrobiologin, wie genau es dem urtümlichen Bakterium gelingt, aus Kohlenmonoxid Energie zu gewinnen. Ihre Erkenntnisse stellte sie im Fachjournal „PNAS“ vor. Demnach wird das Kohlenmonoxid in der Zelle zu Kohlendioxid umgewandelt, wobei Elektronen freiwerden. Ein Enzym namens Hydrogenase überträgt diese Elektronen auf Protonen, wodurch Wasserstoff entsteht. Gleichzeitig nutzt das Enzym die Elektronen dazu, ATP zu erzeugen, den universellen Energieträger der Zellen.

Bakterien, die auf diese Weise Kohlenmonoxid verstoffwechseln, könnten damit auch die Grundlage für den Stoffwechsel anderer Mikroorganismen bilden. „Bis heute hat sich der Stoffwechsel auf der Basis von Wasserstoff in wenigen Bakterien und Archaeen gehalten“, erklärt Schölmerich, „allerdings haben diese Organismen inzwischen auch gelernt, wohlschmeckendere Nährstoffe zu verwerten.“

bl

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