Mi­kro­or­ga­nis­men bil­den ele­men­ta­ren Koh­len­stoff

Rein bio­lo­gisch: For­schen­de iden­ti­fi­zie­ren ei­nen neu­en Weg zur Bil­dung von rei­nem Koh­len­stoff durch Mi­kro­or­ga­nis­men

Kohlenstoff kommt auf der Erde in verschiedenen Strukturen und Formen vor. Elementarer Kohlenstoff entsteht meist durch hohen Druck und hohe Temperaturen. Nun haben Forschende erstmals Mikroorganismen identifiziert, die elementaren Kohlenstoff bilden. Das Team, dem auch Dr. Gunter Wegener vom MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen und dem Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie Bremen angehört, hat nun seine Ergebnisse dazu in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht. 

Pro­ben­nah­me aus den hei­ßen Se­di­men­ten der Hydro­ther­mal­quel­len des Gu­ay­mas Be­ckens vor der me­xi­ka­ni­schen Küs­te. Un­ter den weiß-gel­ben und oran­ge­far­be­nen Bak­te­ri­en­mat­ten le­ben die Erd­gas ab­bau­en­den Kon­sor­ti­en
Pro­ben­nah­me aus den hei­ßen Se­di­men­ten der Hydro­ther­mal­quel­len des Gu­ay­mas Be­ckens vor der me­xi­ka­ni­schen Küs­te. Un­ter den weiß-gel­ben und oran­ge­far­be­nen Bak­te­ri­en­mat­ten le­ben die Erd­gas ab­bau­en­den Kon­sor­ti­en. [An­dre­as Tes­ke, Univ. of North Ca­ro­li­na (USA)]

Das Le­ben auf der Erde ba­siert auf Koh­len­stoff. Im Lau­fe der Evo­lu­ti­on ha­ben Le­be­we­sen er­lernt, eine gro­ße Men­ge un­ter­schied­li­cher Koh­len­stoff­ver­bin­dun­gen zu bil­den und ver­ar­bei­ten. So ist Koh­len­stoff der An­gel­punkt der meis­ten bio­lo­gisch er­zeug­ten or­ga­ni­schen Ver­bin­dun­gen wie Pro­te­ine, Koh­len­hy­dra­te, Fet­te und DNA. All die­se Ver­bin­dun­gen ent­hal­ten ne­ben Koh­len­stoff vie­le wei­te­re Ele­men­te wie Was­ser­stoff, Stick­stoff oder Sau­er­stoff.

Ele­men­ta­rer Koh­len­stoff wird auf der Erde ohne das Zu­tun von Le­ben aus or­ga­ni­schen Koh­len­stoff­ver­bin­dun­gen ge­bil­det, wenn gro­ße Hit­ze und Druck alle an­de­ren Ele­men­te wie Was­ser­stoff und Stick­stoff aus­trei­ben. So wird bei­spiels­wei­se aus Holz tief im Bo­den bei er­höh­ten Tem­pe­ra­tu­ren erst Koh­le, dann bil­den sich mit wei­ter zu­neh­men­dem Druck und stei­gen­der Tem­pe­ra­tur rei­ne Koh­len­stoff­ver­bin­dun­gen wie An­thra­zit und Gra­phit. Dies sind kris­tal­li­ne For­men des Koh­len­stoffs.  Wer­den Holz, Gas oder Öl ver­brannt, bil­det sich Ruß, eine weit­ge­hend un­ge­ord­ne­te Form des Koh­len­stoffs. Dass Le­be­we­sen selbst ele­men­ta­ren Koh­len­stoff bil­den, war bis­her nicht be­kannt.

Im Labor haben die Wissenschaftler die mikrobiellen Konsortien kultiviert. Die schwarzen Flocken sind zum größten Teil der amorphe Kohlenstoff.
Im Labor haben die Wissenschaftler die mikrobiellen Konsortien kultiviert. Die schwarzen Flocken sind zum größten Teil der amorphe Kohlenstoff. [MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen; G. Wegener]

Der Bre­mer Wis­sen­schaft­ler Dr. Gun­ter We­ge­ner kul­ti­viert seit mehr als 15 Jah­ren Mi­kro­or­ga­nis­men, die Me­than ohne Sau­er­stoff ver­brau­chen, um En­er­gie zu ge­win­nen. Die­se den Ar­chae­en zu­ge­rech­ne­ten Mi­kro­or­ga­nis­men le­ben mit bak­te­ri­el­len Part­nern in ei­ner Sym­bio­se. Viel En­er­gie ist aus die­sem Pro­zess für bei­de Part­ner nicht her­aus­zu­ho­len, und so wach­sen die Kon­sor­ti­en mit für Mi­kro­or­ga­nis­men sehr lan­gen Ver­dop­pe­lungs­zei­ten von meh­re­ren Mo­na­ten. Schon vor län­ge­rer Zeit ha­ben nun For­schen­de fest­ge­stellt, dass die mi­kro­bi­el­len Kon­sor­ti­en un­ge­wöhn­lich dun­kel, ge­ra­de­zu schwarz sind. Ein Teil die­ser schwar­zen Mas­se wur­de schon früh als Me­tall­sul­fi­de be­schrie­ben. Die­se bil­den sich aus dem zum Nähr­me­di­um hin­zu­ge­setz­ten Ei­sen und dem durch die Part­nerbak­te­ri­en pro­du­zier­ten Sul­fid.

We­ge­ners Kol­leg:in­nen Dr. Ky­lie Al­len und Prof. Ro­bert Whi­te an der Vir­gi­nia Tech (USA) sind stän­dig auf der Su­che nach neu­en Bio­mo­le­kü­len und de­ren Funk­tio­nen. Auf ih­rer Su­che ex­tra­hier­ten sie auch me­than­oxi­die­ren­de Kul­tu­ren aus dem La­bor von Gun­ter We­ge­ner mit or­ga­ni­schen Lö­sungs­mit­teln. Zu­rück blieb eine schwar­ze Mas­se, die auch durch star­ke Säu­ren und Ba­sen nicht ge­löst wer­den konn­te.

„Erst wa­ren wir rat­los, was die­se schwar­ze Mas­se wohl war“, er­klärt Ro­bert Whi­te. „Dann nutz­ten wir an­de­re Me­tho­den, um die­sen Stoff als Fest­pha­se zu ana­ly­sie­ren. Da­bei fan­den wir her­aus, dass es sich um na­he­zu rei­nen Koh­len­stoff han­del­te. Die­ser Koh­len­stoff liegt gänz­lich un­ge­ord­net vor, wir spre­chen da­her auch von amor­phem Koh­len­stoff.“

Wo­her stamm­te die­ser ele­men­ta­re Koh­len­stoff? Eine rein che­mi­sche Her­kunft hat­te das Team aus­ge­schlos­sen. Nun füt­ter­ten sie die Kul­tur mit Sub­stra­ten mit iso­to­pisch mar­kier­tem Koh­len­stoff, der im Ab­bau­pro­zess ver­folgt wer­den kann, und ana­ly­sier­ten den ge­bil­de­ten Koh­len­stoff. „So konn­ten wir nach­wei­sen, dass tat­säch­lich die me­than­oxi­die­ren­den Ar­chae­en für die Bil­dung des ele­men­ta­ren Koh­len­stoffs ver­ant­wort­lich sind“, sagt Gun­ter We­ge­ner.

Die Konsortien unter dem Mikroskop.
Die Konsortien unter dem Mikroskop. [Gunter Wegener/ Benedikt Geier, MPI Bremen]

Als nächs­ten Schritt un­ter­such­ten die For­schen­den die nächs­ten Ver­wand­ten der Me­than­oxi­die­rer, die me­than-bil­den­den Ar­chae­en – auch Me­tha­no­ge­ne ge­nannt. „Wenn auch nicht in dem glei­chen Maße, er­zeug­ten vie­le der ge­tes­te­ten Stäm­me eben­falls ele­men­ta­ren Koh­len­stoff“, sagt Ro­bert Whi­te.

Die Stu­die er­zeugt je­doch im Mo­ment mehr neue Fra­gen als Ant­wor­ten. Etwa: Wie wird die­ser Koh­len­stoff ge­bil­det? Die Bil­dung von ele­men­ta­ren Koh­len­stoff braucht nor­ma­ler­wei­se ho­hen Druck und hohe Tem­pe­ra­tu­ren. Bei­des hat es in den Kul­tu­ren nicht ge­ge­ben. „Die­se Bil­dungs­wei­se von ele­men­ta­rem Koh­len­stoff durch Le­be­we­sen ist uns Wis­sen­schaft­lern kom­plett neu. In den Ar­chae­en müs­sen bis­her völ­lig un­be­kann­te Re­ak­tio­nen am Werk sein“, er­klärt Ky­lie Al­len, die Er­st­au­to­rin der Stu­die. „Noch wis­sen wir über­haupt noch nicht, wel­che bio­che­mi­schen Re­ak­tio­nen und En­zy­me hier am Werk sind.“

Auch das War­um ist noch nicht ge­klärt. „Ele­men­ta­rer Koh­len­stoff ist ein gu­ter elek­tri­scher Lei­ter. Wo­mög­lich ist der Koh­len­stoff der Schlüs­sel zur Sym­bio­se zwi­schen den Ar­chae­en und ih­ren Part­nern“, mut­maßt Gun­ter We­ge­ner. Über Koh­len­stoff-ba­sier­te Ver­bin­dun­gen könn­ten elek­tri­sche La­dun­gen bes­tens trans­por­tiert wer­den. Auch ist gänz­lich un­ge­klärt, wie­viel ele­men­ta­rer Koh­len­stoff durch Mi­kro­or­ga­nis­men in der Na­tur ge­bil­det wird. „Weil der Koh­len­stoff in Se­di­men­ten ab­ge­la­gert wird und dort über lan­ge Zeit­räu­me bleibt, könn­ten un­se­re Er­geb­nis­se zu­dem auf eine bis­lang un­be­kann­te, na­tür­li­che Koh­len­stoff­sen­ke hin­wei­sen.“ Das Team wird den of­fe­nen Fra­gen auf den Grund ge­hen, un­ter an­de­rem im Rah­men des Ex­zel­lenz­clus­ters „Der Oze­an­bo­den – un­er­forsch­te Schnitt­stel­le der Erde“, der am MARUM an­ge­sie­delt ist.

Originalpublikation

Ky­lie D. Al­len, Gun­ter We­ge­ner, D. Mat­t­hew Sublett Jr, Ro­bert J. Bod­nar, Xu Feng, Jen­ny Wendt, Ro­bert H. Whi­te: Bio­ge­nic for­ma­ti­on of amor­phous car­bon by an­ae­ro­bic me­tha­notro­phs and select me­tha­no­gens. Sci­ence Ad­van­ces 2021. DOI: 10.1126/sciadv.abg9739.

Über MARUM

Das MARUM ge­winnt grund­le­gen­de wis­sen­schaft­li­che Er­kennt­nis­se über die Rol­le des Oze­ans und des Mee­res­bo­dens im ge­sam­ten Erd­sys­tem. Die Dy­na­mik des Oze­ans und des Mee­res­bo­dens prä­gen durch Wech­sel­wir­kun­gen von geo­lo­gi­schen, phy­si­ka­li­schen, bio­lo­gi­schen und che­mi­schen Pro­zes­sen maß­geb­lich das ge­sam­te Erd­sys­tem. Da­durch wer­den das Kli­ma so­wie der glo­ba­le Koh­len­stoff­kreis­lauf be­ein­flusst und es ent­ste­hen ein­zig­ar­ti­ge bio­lo­gi­sche Sys­te­me. Das MARUM steht für grund­la­gen­ori­en­tier­te und er­geb­nis­of­fe­ne For­schung in Ver­ant­wor­tung vor der Ge­sell­schaft, zum Wohl der Mee­res­um­welt und im Sin­ne der Nach­hal­tig­keits­zie­le der Ver­ein­ten Na­tio­nen. Es ver­öf­fent­licht sei­ne qua­li­täts­ge­prüf­ten, wis­sen­schaft­li­chen Da­ten und macht die­se frei zu­gäng­lich. Das MARUM in­for­miert die Öffent­lich­keit über neue Er­kennt­nis­se der Mee­res­um­welt, und stellt im Dia­log mit der Ge­sell­schaft Hand­lungs­wis­sen be­reit. Ko­ope­ra­tio­nen des MARUM mit Un­ter­neh­men und In­dus­trie­part­nern er­fol­gen un­ter Wah­rung sei­nes Ziels zum Schutz der Mee­res­um­welt.

Source

MARUM, Pressemitteilung, 2021-10-27.

Supplier

MARUM – Zen­trum für Ma­ri­ne Um­welt­wis­sen­schaf­ten
Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie
Science Advances Journal

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