Eine neue Studie von einem Forschungsteam der Universitäten Potsdam und Marburg hat bedeutende Fortschritte im Verständnis lithotropher Mikroorganismen hervorgebracht, auch bekannt als Steinfresser. Diese Mikroorganismen zeichnen sich dadurch aus, dass sie Energie aus anorganischen Quellen wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Schwefelverbindungen gewinnen, um Kohlendioxid (CO2) zu transformieren. Laut der Veröffentlichung in „Nature Communications“ werden Steinfresser als die Mehrheit der Biomasse-Produzenten angesehen und sind entscheidend für den Kohlenstoffkreislauf auf der Erde.
CO2, ein zentraler Bestandteil der Erdatmosphäre, spielt eine wesentliche Rolle, da er Kohlenstoff für das Leben bereitstellt. Autotrophe Primärproduzenten, einschließlich Cyanobakterien und Pflanzen, nutzen Sonnenenergie, um CO2 in komplexe Kohlenhydrate umzuwandeln. Die Forschung beleuchtet einen speziellen Membrankomplex namens DAB2, der für die Anreicherung von CO2 verantwortlich ist und innovative Mechanismen zur Umwandlung von CO2 in Bikarbonat (HCO3–) untersucht.
Mechanismen der CO2-Umwandlung
Die Untersuchung zeigt, dass CO2 in Wasser zu Kohlensäure reagiert, die dann in Bikarbonat zerfällt. Während CO2 mühelos durch die bakterielle Zellmembran gelangt, bedarf es zusätzlicher Energie, um HCO3– in die Zelle zu transportieren. Normalerweise wird ATP benötigt, um diesen Transport zu ermöglichen, was für lithoautotrophe Mikroorganismen jedoch nicht praktikabel ist. Die Entdeckung, dass der DAB2-Komplex die ATP-unabhängige Umwandlung von CO2 in HCO3– innerhalb der Zelle ermöglicht, stellt einen entscheidenden Fortschritt dar.
Die Elektronenmikroskopie zeigt, dass die Kohlensäurereaktion mit einem Konzentrationsgefälle über der Zellmembran gekoppelt ist. Dieses Konzentrationsgefälle entsteht durch ein einseitiges Vorkommen geladener Teilchen, hauptsächlich Protonen (H+). Forscher entwickelten die Theorie, dass lithoautotrophe Mikroorganismen dieses Konzentrationsgefälle nutzen, um effizienter Biomasse unter extremen Bedingungen aufzubauen.
Bedeutung für den Kohlenstoffkreislauf
Die Rolle dieser Mikroorganismen im Kohlenstoffkreislauf ist unerlässlich. Laut Informationen von Spektrum stellt CO2 einen Ausgangspunkt für die Photosynthese dar, die für die Erzeugung von Biomasse entscheidend ist. In diesem Kreislauf kommt der Umwandlung von CO2 in Bikarbonat durch lithotrophe Mikroorganismen eine besondere Wichtigkeit zu, da sie dazu beitragen, die CO2-Konzentration in der Atmosphäre zu regulieren.
Die Untersuchung, durchgeführt von Lo et al., hat die wissenschaftliche Gemeinschaft alarmiert und ermutigt, weitere Forschungen in diesem optimierenden und ökologisch bedeutenden Bereich zu betreiben. Die Verbindung von biochemischen Prozessen mit der Ökologie könnte für die zukünftige Umweltforschung von grundlegender Wichtigkeit sein. Der vollständige Titel der Veröffentlichung lautet „Structural basis of membrane potential coupled vectorial CO₂ hydration by the DAB2 complex in chemolithoautotrophs“ und beschreibt detailliert die Mechanismen hinter diesen komplexen biologischen Prozessen.
Für weitere Informationen oder zur Kontaktaufnahme mit dem Forschungsteam steht Dr. habil. Sven T. Stripp vom Institut für Chemie der Universität Potsdam zur Verfügung.