Es scheint unmöglich, sich Lebewesen vorzustellen, die zum Atmen nicht auf Sauerstoff angewiesen sind. Wir nutzen dieses Element, um Nahrung zu verstoffwechseln und Energie zu produzieren. Es ist der letzte Elektronenakzeptor in einer Kettenreaktion, die dieser Energiefreisetzung dient. Wie National Geographic berichtet, ist diese Methode in der Natur so verbreitet, dass die ersten Wissenschaftler die Existenz einer anderen Form der Atmung für unmöglich hielten. Aber sie irrten sich.
Bei der Erforschung extremer Orte mit Sauerstoffmangel oder -mangel, wie hydrothermale Tiefseiquellen, dunkle Höhlen und sogar der menschliche Darm, wurden andere Methoden entdeckt. Dies wurde in einer Studie eines Forscherteams unter der Leitung der Biowissenschaftlerin Caroline Ajo-Franklin von der Rice University untersucht und in Cell veröffentlicht. Dabei wurde entdeckt, dass bestimmte Bakterien eine Gruppe organischer Verbindungen mit der Grundstruktur von Naphthalin, sogenannte Naphthochinone, nutzen können, die die gleiche Funktion wie Sauerstoff erfüllen.
Dies geschieht durch die Übertragung von Elektronen an die äußere Oberfläche der Zellen in einem als extrazelluläre Atmung bezeichneten Prozess, bei dem ein elektrischer Strom abgegeben wird und die Bakterien ohne Sauerstoff Energie erzeugen und wachsen können. In Muy Interesante wird darauf hingewiesen, dass diese Art der „elektrischen Atmung” bereits bei einigen Mikroben beobachtet worden war, nun aber auch bei einem „in der Biotechnologie und im menschlichen Körper weit verbreiteten Bakterium”, Escherichia coli, entdeckt wurde. Die Forscher sind überzeugt, dass „diese Entdeckung die Sichtweise darüber, wie der Stoffwechsel von Bakterien in Abwesenheit von Sauerstoff funktioniert, völlig verändert”.
Einzigartige Prozesse
In der genannten Zeitschrift versichern sie, dass „diese Form der Energieerzeugung auf einem Molekül namens HNQ (2-Hydroxy-1,4-naphthochinon) basiert, das wie ein kleiner elektrischer Botenstoff innerhalb der Zelle wirkt”. Einige Stämme von Escherichia coli nutzen dieses Molekül als Vermittler, wenn sie ihre überschüssigen Elektronen über einen elektrischen Kreislauf nach außen abgeben, in einem Prozess, der als extrazelluläre Elektronentransfer (EET) bezeichnet wird. Biki Bapi Kundu, Doktorandin und Autorin der Studie, erklärte gegenüber National Geographic, dass „dieser neu entdeckte Atmungsmechanismus eine einfache und intelligente Funktionsweise ist“.
„Naphthochinone fungieren als molekulare Transporter, die Elektronen aus den Zellen transportieren, damit die Bakterien Nahrung verdauen und Energie erzeugen können“, erklärte die Autorin. Die Forscher der Rice University arbeiteten mit dem Palsson-Labor der University of California in San Diego zusammen, um die Ergebnisse zu überprüfen. Sie erstellten spezielle Computersimulationen, um zu beobachten, wie die Bakterien in einer sauerstofffreien Umgebung wachsen würden, und fügten eine große leitfähige Oberfläche hinzu, um zu bestätigen, dass sie diesen Prozess tatsächlich überleben konnten.
Ajo-Franklin versicherte, dass diese Arbeit „die Grundlage für die Nutzung von Kohlendioxid durch erneuerbare Elektrizität schafft, bei der Bakterien wie Pflanzen agieren, die Sonnenlicht für die Photosynthese benötigen. Dies öffnet die Tür für intelligentere und nachhaltigere Technologien, die sich auf die Biologie konzentrieren“. Ihnen zufolge könnte dies neben den Fortschritten für das Überleben an sauerstoffarmen Orten auch zu zukünftigen Anwendungen in biotechnologischen Prozessen wie der Abwasserbehandlung und der Biofabrikation sowie in der medizinischen Diagnostik, der Kontrolle der Umweltverschmutzung und der Erforschung des Weltraums führen.
