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    Eine Bakterienart, die überlebt, indem sie Gestein „atmet“, fasziniert Wissenschaftler seit Jahrzehnten, obwohl das Innenleben ihrer mysteriösen Zellatmungstechnik alles andere als klar geblieben ist. Die Ergebnisse der Studie sind im Fachmagazin „Journal of the American Chemical Society“ veröffentlicht worden

    In einer neuen Studie, die die seltsamen Gewohnheiten des Bakteriums Shewanella oneidensis untersucht, haben Forscher nun herausgefunden, dass die Fähigkeit der Mikrobe, durch den Transport von Elektronen von außen zu festen Oberflächen zu „atmen“, durch die molekulare Chiralität beeinflusst wird, die eine optimale Richtung des Elektronenspins induziert, wenn der Organismus "ausatmet".

    Shewanella oneidensis

    Dieses Phänomen scheint S. oneidensis (auch bekannt als S. oneidensis MR-1) zu helfen, in Umgebungen mit wenig oder keinem Sauerstoff zu existieren und Elektronen unter anaeroben Bedingungen wie felsigen und metallischen Lebensräumen tief unter der Erde zu transportieren.

    „Im Gegensatz zu den meisten Organismen, die Sauerstoff als Elektronenakzeptor verwenden können, übertragen diese Bakterien die Elektronen auf ein festes Mineral oder, wie in unserem Labor, auf Elektroden außerhalb der Zelle", erklärt der biomedizinische Ingenieur Sahand Pirbadian von der University of Southern California (USC).

    S. oneidensis wurde erstmals in den 1980er Jahren identifiziert, als Wissenschaftler die Mikrobe in Sedimenten aus dem Oneida Lake in New York isolierten. Die Forscher fanden bald heraus, dass die metallfressende Mikrobe unter luftlosen Bedingungen Energie aus Mineralien gewinnen kann - ein Trick, der es ihr ermöglicht, beispielsweise mikrobielle Brennstoffzellen anzutreiben und das „Wundermaterial“ Graphen zu produzieren.

    Raffinierte Überlebensstrategie

    Aber wie funktioniert diese raffinierte Überlebensstrategie tatsächlich? Lange Zeit wurde angenommen, dass S. oneidensis Elektronen über haarähnliche „bakterielle Nanodrähte“, die als Leitung und buchstäbliche Lebensader zum Abladen von Elektronen fungieren, in seine äußere Umgebung transportiere.

    „Wenn Sie ihr keinen Elektronenakzeptor geben, stirbt sie", erklärte der USC-Mikrobiologe Kenneth Nealson, der S. oneidensis vor Jahrzehnten zum ersten Mal entdeckt hatte - im Jahr 2010. „Sie stirbt ziemlich schnell."

    In den letzten Jahren stellten USC-Forscher jedoch fest, dass diese bakteriellen Nanodrähte keine haarartigen Vorsprünge der Zelle (bekannt als Pili) waren, sondern etwas ganz anderes: Membranverlängerungen mit elektronentragenden Proteinen, sogenannten Cytochromen.

    „Die Pili-Idee war die stärkste Hypothese, aber wir waren immer vorsichtig, da die genaue Zusammensetzung und Struktur sehr schwer zu ermitteln waren“, sagte der USC-Mikrobiologe Moh El-Naggar im Jahr 2014.

    „In vielerlei Hinsicht stellte sich heraus, dass dies ein noch klügerer Weg für Bakterien war, sich selbst anzutreiben“, so der Forscher.

    Spin-Selektivität

    In späteren Arbeiten entdeckte das Laborteam von El-Naggar, dass die Struktur der Nanodrähte einer Perlenkette ähnelte, wobei die Cytochrom-Proteine effektiv entlang der Kette schwebten und Elektronen durch eine Kombination aus direktem Elektronensprung und Diffusion von Elektronenträgern transportierten.

    Der Effekt, der als chiral induzierte Spin-Selektivität (CISS) bezeichnet wird, kann viel mehr als nur die Effizienz des Elektronentransports während der Zellatmung von S. oneidensis optimieren.

    „Es wird ständig nach Materialien gesucht, die als Grundlage für neue spintronische Technologien dienen können", erklärt El-Naggar. „Unsere Arbeit zeigt, dass bakterielle Cytochrome interessante Kandidaten für die Spintronik sein können.“

    ek/mt

     

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    Tags:
    Wissenschaftler, Forscher-Team, Metall, Protein, Mikroben, Studie