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Bilden vertikal angeordnete Ketten mit Zehntausenden Zellen © Universität Wien/Steffen Larsen
Bilden vertikal angeordnete Ketten mit Zehntausenden Zellen © Universität Wien/Steffen Larsen

APA

Kabelbakterien teilen sich die Arbeit an den Kabelenden auf

20.08.2019

Kabelbakterien durchziehen Gewässerböden in langen Ketten, die sauerstoffreiche obere mit nährstoffreichen tieferen Zonen verbinden und dabei wie ein lebendes Kabel Strom leiten. Forscher aus Dänemark und Österreich haben nun den Stoffwechsel der Bakterien entschlüsselt und berichten im Fachjournal "Pnas" über eine unerwartete Arbeitsteilung zwischen den Zellen an den beiden "Kabel"-Enden.

Bakterien wie "Candidatus Electronema" oder "Candidatus Electrothrix" kommen weltweit in den Sedimenten der Meere, Seen und Flüsse in gigantischen Mengen vor: In den oberen Zentimetern eines Quadratmeters Meeresboden finden sich tausende Kilometer an solchen Bakterienkabeln.

Sie bilden dabei vertikal angeordnete Ketten mit Zehntausenden Zellen. Damit verbinden die Bakterien quasi im Teamwork sauerstoffreiche Zonen mit tieferen, sauerstoffarmen, aber nährstoffreichen Schichten. Sie nutzen dabei das Sulfid, das in großen Mengen in tiefen Sedimentschichten vorkommt, als Nahrung. Die Kabelbakterien entziehen dazu dem Schwefelwasserstoff Elektronen, konservieren dabei Energie (letztlich über die Bildung von ATP) und transportieren sie über das "Kabel" in Richtung Oberfläche, wo die Elektronen auf Sauerstoff übertragen werden.

"Die beiden Reaktionen (Sulfidoxidation und Sauerstoffreduktion, Anm.) finden also nicht wie sonst üblich in der selben Zelle statt, sondern in mehreren Zentimetern Entfernung und in vielen tausende Zellen auseinanderliegenden Bereichen", erklärte Michael Wagner vom Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung der Universität Wien gegenüber der APA.

Genome rekonstruiert

Weil die Kabelbakterien noch nicht im Labor gezüchtet werden können, war bisher nicht bekannt, wie ihr Stoffwechsel (Metabolismus) im Detail funktioniert. Mit modernen Methoden haben die Wissenschafter in der nun veröffentlichten Arbeit die Genome von sechs Kabelbakterien rekonstruiert. Außerdem haben sie herausgefunden, welche Gene aktiv sind und damit ein Stoffwechselmodell der Kabelbakterien erstellt.

Die meisten atmenden Lebewesen reduzieren Sauerstoff zu Wasser, um Energie zu konservieren. Notwendig sind dafür bestimmte Enzyme (terminale Oxidasen). Zur Überraschung der Forscher wurden in den Genomen der Kabelbakterien keine Gene zur Produktion dieser Enzyme gefunden. Vielmehr scheinen sie die in tieferen Regionen gewonnenen Elektronen quasi abzufackeln, ohne damit Energie zu konservieren.

Mehr Bakterien in sauerstofffreier Zone

Der Grund für diese Energieverschwendung könnte in der großen Zahl an Bakterien liegen, die sich in der sauerstofffreien, sulfidhaltigen Zone befinden, während im oberen Sedimentbereich nur wenige Zellen angesiedelt sind. Folglich können viel mehr Zellen Elektronen mittels Sulfidoxidation freisetzen als mittels Sauerstoffreduktion verbraucht werden. Die sauerstoffreduzierenden Zellen müssen daher bis zu zehn Mal schneller arbeiten, und das dürften sie nur können, wenn sie dabei keine Energie konservieren. Sie bezahlen das mit einem hohen Absterberisiko.

Unterstützt wird diese These mit der experimentell belegten Tatsache, dass die Kabelbakterien den Großteil ihrer Proteine in jenen Bereichen herstellen, die sich in tieferen Sedimentschichten befinden. Kabelbakterien können sich jedoch schnell und schlängelnd fortbewegen. Damit gelingt es ihnen, immer nur wenige Zellen für kurze Zeit in dem "gefährlichen" sauerstoffhaltigen Bereich - ohne eine Chance auf Energiekonservierung - zu belassen, bevor diese wieder in sauerstofffreie Bereiche gezogen werden und andere Zellen ihre Aufgabe, Elektronen abzufackeln, übernehmen.

Eine entscheidende Rolle beim Transport der Elektronen von einem Ende zum anderen dürfte ein bestimmtes Protein (das Pilus-Protein PilA) haben, es wurde bei den analysierten Bakterien am häufigsten produziert. "An der Außenseite der Kabelbakterienfilamente sieht man im Elektronenmikroskop Fasern, die möglicherweise aus diesem Protein aufgebaut sind und die Elektronen leiten könnten", so Wagner.

Service: http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1903514116

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