Bakterieller Sonnenkollektor

News: Bakterieller Sonnenkollektor

Nicht nur die grünen Pflanzen, auch einige Bakterien sind in der Lage, die Energie der Sonnenstrahlung für ihren Stoffwechsel zu nutzen. Mit speziellen Farbstoffmolekülen - die dem Sehfarbstoff unserer Augen ähneln - fangen sie hierfür das Sonnenlicht ein. Jetzt entdeckten Wissenschaftler, dass das bakterielle Photopigment Proteorhodopsin im Meer viel häufiger vorkommt, als sie bisher vermuteten. Bakterien, die über diesen Sonnenkollektor verfügen, scheinen daher eine wichtige Rolle im Ökosystem des Meeres zu spielen.

Andreas Jahn

Als die ersten Bakterien in der "Ursuppe" schwammen, befanden sie sich in einem wahren Schlaraffenland. Die Welt – sprich das Wasser – war voller energiereicher, organischer Moleküle, die nur noch verdaut werden mussten. Doch schon bald wurde die Nahrung knapp, die erste Energiekrise des Planeten trat ein. Aber Not macht erfinderisch, und einige Bakterien kamen auf die Idee, das Sonnenlicht als Energiequelle zu nutzen. Hierfür bauten sie ein Molekül in ihre Membran, das Sonnenlicht absorbiert und dabei seine Gestalt verändert. Diese Gestaltänderung bewirkt wiederum, dass Protonen aus der Zelle herausgepumpt werden. Den resultierenden Protonengradienten nutzt die Zelle, um ATP – den universellen Energieträger – zu synthetisieren.

Diesen Mechanismus findet man heute noch bei einigen exotischen Archaea, ursprüngliche Bakterien, die an extrem salzhaltigen Standorten vorkommen – wie beispielsweise die Art Halobacterium salinarum. Sie besitzen in ihrer Zellmembran ein Photopigment, das in seiner Struktur dem Sehfarbstoff Rhodopsin ähnelt, mit dem die Sinneszellen unserer Augen ebenfalls das Licht einfangen. Die Wissenschaftler nannten das Molekül daher Bacteriorhodopsin, hielten jedoch die ökologische Bedeutung der damit ausgestatteten Bakterien für eher gering.

Doch die Arbeitsgruppe von Oded Béjà vom Monterey Bay Aquarium Research Institute entdeckte im Jahr 2000 bei marinen Bakterien ein neues, bisher unbekanntes Photopigment, das sie Proteorhodopsin nannten. Jetzt schauten sie sich die Verteilung dieses Pigmentes in den Ozeanen näher an, indem sie Bakterienproben aus verschiedenen Regionen des Pazifik bis hinunter zur Antarktis spektroskopisch analysierten.

Es zeigte sich, dass Proteorhodopsin im Meer weit verbreitet ist. Die Hochrechnungen der Wissenschaftler ergaben, dass die analysierten Bakterien etwa 24 000 Proteorhodopsin-Moleküle pro Zelle haben – und damit genug, um bei Sonneneinstrahlung ausreichend ATP zu produzieren. Doch das ist noch nicht alles: Das Proteorhodopsin existiert zusätzlich in verschiedenen Varianten. In größeren Wassertiefen ist sein Absorptionsspektrum zum kurzwelligen blauen Bereich verschoben. Die Bakterien passen sich damit ihrer Umgebung an, da in größeren Tiefen nur das blaue Licht vordringt.

Die Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass phototrophe Bakterien – also Bakterien, die mit Lichtenergie organische Moleküle synthetisieren können – eine weitaus größere ökologische Bedeutung im Meer haben als bisher vermutet. "Unsere Daten deuten darauf hin", argumentieren sie, "dass die auf Proteorhodopsin basierende Phototrophie ein global bedeutender mikrobiologischer Prozess des Meeres ist."