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Bakterienart im Arktischen Ozean könnte mit Aceton CO₂ in Zellbausteine einbauen
In den nährstoffarmen Oberflächengewässern des Arktischen Ozeans könnte eine Bakterienart auf einen ungewöhnlichen Stoffwechsel setzen. Genomanalysen legen nahe, dass Porticoccus arcticus Aceton abbauen und dabei gelöstes CO₂ in Zellbausteine einbauen kann. Lichtempfindliche Proteine könnten zusätzlich Sonnenenergie liefern, doch ob dieser kombinierte Stoffwechsel in der Natur tatsächlich so funktioniert, ist noch nicht direkt nachgewiesen.
Montréal (Kanada). Die oberen Wasserschichten des Arktischen Ozeans sind im Sommer vielerorts arm an leicht verfügbarer organischer Nahrung. Trotzdem leben dort zahlreiche Mikroorganismen, deren Versorgung mit Kohlenstoff und Energie noch nicht vollständig verstanden ist.
Eine mögliche Ressource ist Aceton, eine flüchtige organische Verbindung, die unter anderem von Meeresorganismen stammt und beim lichtbedingten Abbau organischer Substanz entsteht. Bisher waren zwar verschiedene Wege bekannt, auf denen Meeresbakterien Aceton nutzen können, doch die Rolle eines bestimmten CO₂-bindenden Abbauwegs blieb weitgehend ungeklärt.
Forscher der Concordia University um Prof. David A. Walsh haben nun Erbgutdaten aus dem kanadischen Teil des Arktischen Ozeans untersucht. Dabei identifizierten sie in der Bakterienpopulation Porticoccus arcticus eine vollständige genetische Ausstattung für die sogenannte Aceton-Carboxylierung, einen besonderen Stoffwechselweg zum Abbau von Aceton.
Das entscheidende Enzym, die Aceton-Carboxylase, kann bei diesem Vorgang Aceton mit anorganischem Kohlenstoff in Form von CO₂ verbinden. Dabei entsteht Acetacetat, aus dem weitere Reaktionen Bausteine für den zentralen Stoffwechsel der Zelle erzeugen können. Anders als bei der gewöhnlichen Photosynthese wäre die CO₂-Aufnahme hier also an den Abbau einer organischen Verbindung gekoppelt.
Dass dieser Abbauweg grundsätzlich in Meeresbakterien funktioniert, hat das Team mit einem verwandten, im Labor kultivierten Bakterium geprüft. Porticoccus hydrocarbonoclasticus wuchs, wenn Aceton die einzige bereitgestellte organische Kohlenstoffquelle war. Dieser Versuch bestätigt jedoch nicht unmittelbar, dass auch P. arcticus im arktischen Meer auf diese Weise wächst.
Im vergleichsweise kleinen Genom von P. arcticus fanden sich außerdem mehrere Gene für Proteorhodopsine, also lichtempfindliche Proteine, die Bakterienzellen bei der Energiegewinnung unterstützen können. Der Vergleich mit verwandten Arten deutet darauf hin, dass diese Gene im Verlauf der Evolution durch horizontalen Gentransfer hinzugekommen sind.
Analysen der aus Meereswasser gewonnenen RNA zeigen, dass sowohl Gene für die Aceton-Carboxylase als auch solche für Proteorhodopsine besonders häufig abgelesen wurden. Das spricht dafür, dass die Bakterien in den lichtdurchfluteten Oberflächengewässern beide Systeme einsetzen könnten. Ein direkter Nachweis, dass Sonnenlicht den Acetonabbau bei dieser Bakterienpopulation antreibt, fehlt bislang allerdings.
P.arcticus ist nach den ausgewerteten Umweltproben keineswegs nur eine seltene Erscheinung. In einer mehrjährigen Reihe mikrobiologischer Messungen entfielen stellenweise bis zu neun Prozent der nachgewiesenen bakteriellen 16S-rRNA-Sequenzen auf diese Population.
Auch die Genomdaten deuten darauf hin, dass sie in eisfreien Oberflächengewässern besonders präsent ist, während sie in tieferen Wasserschichten und an einer eisbedeckten Messstation seltener nachgewiesen wurde. Ob schwindendes Meereis und eine weitere Erwärmung der Arktis ihre Häufigkeit künftig verändern werden, lässt sich daraus noch nicht zuverlässig ableiten.