Mikroorganismen sind die gr\u00f6\u00dften Chemiker auf unserem Planeten, denn sie k\u00f6nnen (fast) jede thermodynamisch m\u00f6gliche chemische Reaktion f\u00fcr ihre Lebenserhaltung und ihr Wachstum nutzen. Ihr gemeinsames Wirken erm\u00f6glicht die biogeochemischen Stoffkreisl\u00e4ufe. Betrachtet man ihre gesamte Stoffwechselleistung, wird deutlich, dass sie den komplexen globalen Kreislauf der Elemente, und damit die Basis allen Lebens in Schwung halten. Man sch\u00e4tzt, dass ca. 10 hoch 30 Einzeller und zehnmal mehr Viren dieses globale mikrobielle Netzwerk bilden. Im Vergleich liegt die Zahl von 10 hoch 23 Sternen im Universum deutlich darunter.<\/b><\/p>\n
Will man diese biologischen Mechanismen verstehen, muss man die Genome der Organismen analysieren. Mikrobielle Gemeinschaften bestehen jedoch aus einer Vielzahl verschiedener Arten. \u00c4hnlich wie bei einer Volksz\u00e4hlung ist es hilfreich, sich zun\u00e4chst einen \u00dcberblick zu verschaffen und Summenparameter zu erfassen. Diese Metagenome repr\u00e4sentieren die Summe aller bakteriellen Genome in einer Probe und mit Hilfe von biomathematischen Methoden wie der Metagenomik kann man Teile oder sogar komplette Einzelgenome rekonstruieren.<\/p>\n
Die Analyse des Metagenoms – sozusagen ein molekularer “Schnappschuss” der mikrobiellen Gemeinschaften – ist ern\u00fcchternd und macht deutlich, dass wir noch “Lichtjahre” davon entfernt sind, die grundlegenden Feedback-Mechanismen zwischen Umwelt und Mikroorganismen auf der Ebene der Molek\u00fcle zu verstehen. Das ist bedauerlich, denn dieses Wissen ist nicht nur f\u00fcr die Grundlagenforschung relevant, sondern auch f\u00fcr die Industrie und Wirtschaft. Als Beispiele sind die Optimierung von Bioprozessen und die Klimaforschung zu nennen.<\/p>\n
In diesem Themenfeld entwickelte sich in den letzten zwei Jahren die Kooperation zwischen dem Zentrum f\u00fcr Biotechnologie an der Universit\u00e4t Bielefeld und dem Bremer Max-Planck-Institut f\u00fcr Marine Mikrobiologie. Mit ausschlaggebend war, dass die beiden Institutionen sich mit ihrem jeweiligen Know-How gut erg\u00e4nzen: Metagenomik und industrielle Biotechnologie aus Bielefeld treffen auf Umweltmikrobiologie und (Bio-)Geochemie aus Bremen.<\/p>\n
So untersucht die in Bielefeld ans\u00e4ssige Nachwuchsgruppe “Nachhaltige Energieproduktion” unter der Leitung von Professor Olaf Kruse in einer Machbarkeitsstudie die Erzeugung von Methan mit Hilfe von Sonnenenergie in Hinsicht auf Wirtschaftlichkeit in Anbetracht der momentanen Preise f\u00fcr fossile Brennstoffe. Die industrielle Nutzung der Sonnenenergie kommt haupts\u00e4chlich in der Produktion von Strom oder Wasserstoffgas zum Einsatz. <\/p>\n
Als industrielle Methanquellen kommen bislang organische Abf\u00e4lle aus der Landwirtschaft und spezielle Pflanzensorten in Betracht. Allerdings ist die Wasserstofftechnologie noch weit von einer effektiven Umsetzung entfernt und die Biotreibstoffproduktion kann nur einen Bruchteil der ben\u00f6tigten fossilen Brennstoffe ersetzen. F\u00fcr das gasf\u00f6rmige Methan jedoch kann die bestehende Infrastruktur (Erdgasnetz) zum Einsatz kommen. Auch verschiedene Verfahren zur Fixierung des atmosph\u00e4rischen Kohlendioxids als Ausgangsstoff zur Synthese des energiereichen Methans sind etabliert. Das Ziel der Forschergruppe “Nachhaltige Energieproduktion” ist es, diesen Syntheseschritt, die Bildung von Methan aus Kohlendioxid im alkalischen Milieu als Verfahren zu optimieren. Der Start f\u00fcr die industrielle Anwendung ist f\u00fcr 2015 geplant.<\/p>\n
Im Bremer Max-Planck-Institut f\u00fcr Marine Mikrobiologie arbeitet die Max-Planck-Forschungsgruppe “Mikrobielle Fitness” um Marc Strous daran, den Einfluss von Stickstoffd\u00fcngung auf den Kohlenstoffkreislauf zu untersuchen. Ziel ist es, diese Wechselwirkung quantitativ zu erfassen und mit Hilfe von mathematischen Modellierungsverfahren Vorhersagen treffen zu k\u00f6nnen. Stickstoff ist Grundlage allen Lebens und spielt in Form von Nitrat eine Schl\u00fcsselrolle in den wichtigsten geochemischen Stoffkreisl\u00e4ufen. Diese Verbindung kann als Quelle von Stickstoff oder als Elektronenakzeptor in der anaeroben Atmung dienen. <\/p>\n
Das Vorkommen von Stickstoffverbindungen in der Umwelt wird ma\u00dfgeblich durch die Aktivit\u00e4ten der menschlichen Zivilisation bestimmt. Heutzutage stammt jedes dritte Stickstoffatom in der Biosph\u00e4re aus der D\u00fcngemittelindustrie. Mit modernen Kl\u00e4ranlagen versucht man, diese unerw\u00fcnschten Stickstoffverbindungen aus den Abw\u00e4ssern in Form von gasf\u00f6rmigem Stickstoff zu entfernen. Zwar kennt man den direkten Einfluss der Stickstoffd\u00fcnger auf den globalen Kohlendioxidhaushalt der Atmosph\u00e4re noch nicht genau, aber diese D\u00fcngemittel setzen unter sauerstoffarmen Bedingungen gro\u00dfe Mengen an Lachgas, einem starken Treibhausgas, frei. Es ist auch noch nicht gekl\u00e4rt, wie die Umwelt die Produktion von Lachgas beeinflusst.<\/p>\n
Die Bremer Gruppe um Marc Strous bekommt jetzt vom Europ\u00e4ischen Forschungsrat ERC eine Forschungsf\u00f6rderung in H\u00f6he 1,7 Millionen Euro, die den Etat der Gruppe damit verdoppelt. Inzwischen arbeiten zehn Forscher in Bremen und Bielefeld gemeinsam an diesem Projekt.<\/p>\n
Ihr wissenschaftlicher Ansatz bezieht sich auf die nat\u00fcrliche Auslese von konkurrierenden Mikroorganismen in besonders isolierten Bioreaktoren unter kontrollierten Bedingungen. Hochempfindliche Temperaturf\u00fchler verfolgen die W\u00e4rmeabgabe der Reaktoren und geben so Aufschluss \u00fcber die thermodynamische Effizienz der jeweiligen konkurrierenden Bakterienst\u00e4mme. Metagenomanalysen zeigen an, welche St\u00e4mme “das Rennen machen”. Arbeitsgruppenleiter Marc Strous plant mit diesem Ansatz, ein pr\u00e4diktives thermodynamisches Modell zu entwickeln und neue metagenomische Marker zu erhalten. Dieses Konzept soll dann an mikrobiellen Gemeinschaften in der Natur, aber auch bei der Optimierung von biotechnologischen Anwendungen wie der Methanproduktion aus Wasserstoff und der Entfernung von Stickstoff aus Abw\u00e4ssern zum Einsatz kommen.<\/p>\n
Das experimentelle Konzept der Bioreaktoren mit hochaufl\u00f6sender Kalorimetrie steht kurz vor dem Einsatz. Die meisten dieser Experimente werden in Bremen erfolgen, die DNA-Sequenzierung und die Metagenomik in Bielefeld.<\/p>\n