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Methanfressende Mikroben bilden elektrische Protein-Nanodrähte
Manche Mikroben nutzen Methan als Energiequelle und können dabei Elektronen an Elektroden abgeben. Neue Laborversuche zeigen nun, wie solche Archaeen dafür offenbar haarfeine Proteinfäden einsetzen. Zugleich gelang es, die schwer kultivierbaren Methanverwerter auf Elektroden so stark anzureichern, dass sie fast die gesamte Mikrobenkultur ausmachten.
Nijmegen (Niederlande). Methan ist ein starkes Treibhausgas, das auch in sauerstoffarmen Gewässern und Sedimenten entsteht. Bestimmte Archaeen, eine eigenständige Gruppe einzelliger Mikroorganismen, bauen dieses Gas ohne Sauerstoff ab und können so seine Freisetzung begrenzen.
Beim Methanabbau müssen die Mikroben Elektronen an geeignete Empfänger in ihrer Umgebung weitergeben. Frühere Versuche mit Methan verwertenden Archaeen haben gezeigt, dass auch eine Elektrode diese Aufgabe übernehmen kann und dabei Strom fließt. Wie die Zellen ihre Elektronen genau nach außen transportieren, war aber noch nicht geklärt.
Forscher der Yale University um Nikhil S. Malvankar haben gemeinsam mit Kollegen untersucht, wie Methan abbauende Archaeen Elektronen aus der Zelle leiten. Im Mittelpunkt stand die Süßwasser-Archaee „Candidatus Methanoperedens vercellensis“, die unter kontrollierten Bedingungen auf einer Kohlenstoffelektrode gezüchtet wurde.
Die Zellen bildeten dabei feine Fäden auf ihrer Oberfläche, die unter dem Elektronenmikroskop sichtbar wurden. Weitere Analysen identifizierten darin das eisenhaltige Protein OmcZ2, dessen Aufbau eine Elektronenweitergabe über größere Entfernungen ermöglichen könnte. Mit der Kryo-Elektronenmikroskopie ließ sich die Struktur dieser Nanodrähte bis auf 3,3 Ångström auflösen, also etwa ein Drittel Nanometer.
„Wir haben so lange nach diesen Antworten gesucht, und nun können wir sehen, dass diese Mikroorganismen über ihre selbstgebauten Nanodrähte Strom an eine Elektrode abgeben. Wir hatten das bereits stark vermutet und konnten es jetzt mit einem speziellen Mikroskop sehr schön sichtbar machen“, erklärt Prof. Cornelia U. Welte von der Radboud University.
Die neue Kultivierungsmethode löst zugleich ein praktisches Problem der Mikrobiologie. Methan abbauende Archaeen wachsen normalerweise langsam und leben häufig zusammen mit anderen Mikroorganismen, was gezielte Untersuchungen ihrer Eigenschaften erschwert.
Auf den Elektroden konnten sich die Methanverwerter dagegen stark vermehren. Ihr Anteil an der Mikrobenpopulation stieg innerhalb von 119 Tagen von anfangs 9,7 auf bis zu 95,8 Prozent, während gleichzeitig die Begleitflora durch die Kulturbedingungen und Antibiotika zurückgedrängt wurde. Vollständig rein war die Kultur damit noch nicht.
„Wenn man eine so reine Kultur hat, kann man diese Mikroorganismen wesentlich besser untersuchen, als wenn alles durcheinanderwächst. Gelungen ist uns das durch die Zusammenarbeit mit verschiedenen Partnern, darunter Wissenschaftler von Yale“, erklärt Welte.
Bei 30 Grad Celsius verdoppelte sich die Population im Labor innerhalb von ungefähr fünf Tagen. Bei einer Temperatur von rund 22 Grad dauerte dies gut acht Tage, während frühere Untersuchungen bei ähnlicher Temperatur etwa 19 Tage ermittelt hatten. Damit steht künftig mehr Zellmaterial für gezielte Stoffwechsel- und Strukturuntersuchungen zur Verfügung.