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Stoffwechsel: Bakterien tauschen Elektronen über leitfähige Mineralien aus

Der Metallatmer <i>Shewanella oneidensis</i> ist gut leitend vernetzt

Redoxreaktionen stehen am Anfang jeden Lebens – die dabei freigesetzte Energie treibt die Lebensvorgänge der Zellen an. Das Prinzip, zwecks Energiegewinnung Elektronen von energiereichen auf energiearme Stoffe zu übertragen, haben besonders Mikroorganismen in unzähligen Varianten verwirklicht. Zu den bemerkenswertesten Ausformungen dieses universellen Prinzips zählen zweifellos jene Fälle, in denen sich zwei unterschiedliche Bakterienarten eine Redoxreaktion teilen – ein Organismus übernimmt die Oxidation, ein anderer die Reduktion.

Damit das funktioniert, müssen die beteiligten Zellen, dachte man bisher, physisch in Kontakt sein – oder unter großen Verlusten ein Zwischenprodukt erzeugen, das von einer Zelle zur nächsten diffundiert und die Elektronen mit sich trägt. Wissenschaftler haben jetzt allerdings nachgewiesen, dass es eine dritte Möglichkeit gibt, die der menschlichen Technik gar nicht so unähnlich ist. Einige Bakterien nämlich benutzen leitfähige anorganische Stoffe als Kabelverbindung zwischen den Zellen, wie japanische Forscher schreiben.

Die beiden anaeroben Bodenbakterien Geobacter sulfurreducens und Thiobacillus denitrificans tauschen nach den Erkenntnissen von Chemikern um Kazuya Watanabe von der Japan Science and Technology Agency Elektronen über das elektrisch leitende Mineral Magnetit aus. Auf diese Weise können die Bakterien gemeinsam Azetat oxidieren und mit den gewonnenen Elektronen Nitrat zu Ammonium umsetzen – eine unter Bakterien weit verbreitete Methode der Energiegewinnung, für die jedoch keiner der beiden Organismen die komplette biochemische Ausstattung besitzt: G. sulfurreducens kann eigenständig Azetat oxidieren, jedoch kein Nitrat reduzieren, T. denitrificans ist ein Nitratreduzierer, kann aber kein Azetat verdauen.

Entsprechend läuft die Reaktion in Kulturen der einzelnen Bakterienarten nicht ab, selbst wenn reichlich Nitrat und Azetat zur Verfügung stehen. Hielten die Forscher dagegen beide Arten in gemeinsamer Kultur und gaben Magnetit hinzu, bauten die Bakterien die verfügbaren Nährstoffe mit exponentiell steigender Rate ab, wie Watanabe und seine Kollegen feststellten. In elektronenmikroskopischen Aufnahmen entdeckten die Wissenschaftler außerdem Nanopartikel aus Magnetit auf der Zellwand der Bakterien. Andere, nichtleitende Eisenminerale verursachten, wie auch Eisenionen in Lösung, nur eine geringe Stoffwechselaktivität.

Da elektrisch leitende Minerale in der Umwelt häufig vorkommen, vermuten die Forscher, dass der von ihnen entdeckte Mechanismus weit häufiger vorkommt als bisher gedacht, zumal viele Minerale um Größenordnungen leitfähiger sind als biologische Materialien – besonders wenn es darum geht, Elektronen über vergleichsweise große Distanzen zu transportieren, wie es in den vor einigen Jahren beschriebenen elektrisch leitenden Bakteriennetzwerken der Fall ist.

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