Mikroorganismen - die größten Chemiker

Mikroorganismen sind die größten Chemiker auf unserem Planeten, denn sie können (fast) jede thermodynamisch mögliche chemische Reaktion für ihre Lebenserhaltung und ihr Wachstum nutzen.
Ihr gemeinsames Wirken ermöglicht die biogeochemischen Stoffkreisläufe. Betrachtet man ihre gesamte Stoffwechselleistung, wird deutlich, dass sie den komplexen globalen Kreislauf der Elemente, und damit die Basis allen Lebens in Schwung halten.

Man schätzt, dass ca. 10 hoch 30 Einzeller und zehnmal mehr Viren dieses globale mikrobielle Netzwerk bilden. Im Vergleich liegt die Zahl von 10 hoch 23 hoch Sternen im Universum deutlich darunter.
Will man diese biologischen Mechanismen verstehen, muss man die Genome der Organismen analysieren. Mikrobielle Gemeinschaften bestehen jedoch aus einer Vielzahl verschiedener Arten. Ähnlich wie bei einer Volkszählung ist es hilfreich, sich zunächst einen Überblick zu verschaffen und Summenparameter zu erfassen. Diese Metagenome repräsentieren die Summe aller bakteriellen Genome in einer Probe und mit Hilfe von biomathematischen Methoden wie der Metagenomik kann man Teile oder sogar komplette Einzelgenome rekonstruieren.

Die Analyse des Metagenoms - sozusagen ein molekularer "Schnappschuss" der mikrobiellen Gemeinschaften- ist ernüchternd und macht deutlich, dass wir noch "Lichtjahre" davon entfernt sind, die grundlegenden Feedback-Mechanismen zwischen Umwelt und Mikroorganismen auf der Ebene der Moleküle zu verstehen. Das ist bedauerlich, denn dieses Wissen ist nicht nur für die Grundlagenforschung relevant, sondern auch für die Industrie und Wirtschaft. Als Beispiele sind die Optimierung von Bioprozessen und die Klimaforschung zu nennen.

In diesem Themenfeld entwickelte sich in den letzten zwei Jahren die Kooperation zwischen dem Zentrum für Biotechnologie an der Universität Bielefeld und dem Bremer Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie. Mit ausschlaggebend war, dass die beiden Institutionen sich mit ihrem jeweiligen Know-How gut ergänzen: Metagenomik und industrielle Biotechnologie aus Bielefeld treffen auf Umweltmikrobiologie und (Bio-)Geochemie aus Bremen.

So untersucht die in Bielefeld ansässige Nachwuchsgruppe "Nachhaltige Energieproduktion" unter der Leitung von Professor Olaf Kruse in einer Machbarkeitsstudie die Erzeugung von Methan mit Hilfe von Sonnenenergie in Hinsicht auf Wirtschaftlichkeit in Anbetracht der momentanen Preise für fossile Brennstoffe. Die industrielle Nutzung der Sonnenenergie kommt hauptsächlich in der Produktion von Strom oder Wasserstoffgas zum Einsatz. Als industrielle Methanquellen kommen bislang organische Abfälle aus der Landwirtschaft und spezielle Pflanzensorten in Betracht. Allerdings ist die Wasserstofftechnologie noch weit von einer effektiven Umsetzung entfernt und die Biotreibstoffproduktion kann nur einen Bruchteil der benötigten fossilen Brennstoffe ersetzen. Für das gasförmige Methan jedoch kann die bestehende Infrastruktur (Erdgasnetz) zum Einsatz kommen. Auch verschiedene Verfahren zur Fixierung des atmosphärischen Kohlendioxids als Ausgangsstoff zur Synthese des energiereichen Methans sind etabliert. Das Ziel der Forschergruppe "Nachhaltige Energieproduktion" ist es, diesen Syntheseschritt, die Bildung von Methan aus Kohlendioxid im alkalischen Milieu als Verfahren zu optimieren. Der Start für die industrielle Anwendung ist für 2015 geplant.

Im Bremer Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie arbeitet die Max-Planck-Forschungsgruppe "Mikrobielle Fitness" um Marc Strous daran, den Einfluss von Stickstoffdüngung auf den Kohlenstoffkreislauf zu untersuchen. Ziel ist es, diese Wechselwirkung quantitativ zu erfassen und mit Hilfe von mathematischen Modellierungsverfahren Vorhersagen treffen zu können. Stickstoff ist Grundlage allen Lebens und spielt in Form von Nitrat eine Schlüsselrolle in den wichtigsten geochemischen Stoffkreisläufen. Diese Verbindung kann als Quelle von Stickstoff oder als Elektronenakzeptor in der anaeroben Atmung dienen. Das Vorkommen von Stickstoffverbindungen in der Umwelt wird maßgeblich durch die Aktivitäten der menschlichen Zivilisation bestimmt. Heutzutage stammt jedes dritte Stickstoffatom in der Biosphäre aus der Düngemittelindustrie. Mit modernen Kläranlagen versucht man, diese unerwünschten Stickstoffverbindungen aus den Abwässern in Form von gasförmigem Stickstoff zu entfernen. Zwar kennt man den direkten Einfluss der Stickstoffdünger auf den globalen Kohlendioxidhaushalt der Atmosphäre noch nicht genau, aber diese Düngemittel setzen unter sauerstoffarmen Bedingungen große Mengen an Lachgas, einem starken Treibhausgas, frei. Es ist auch noch nicht geklärt, wie die Umwelt die Produktion von Lachgas beeinflusst.

Die Bremer Gruppe um Marc Strous bekommt jetzt vom Europäischen Forschungsrat ERC eine Forschungsförderung in Höhe 1,7 Millionen Euro, die den Etat der Gruppe damit verdoppelt. Inzwischen arbeiten zehn Forscher in Bremen und Bielefeld gemeinsam an diesem Projekt.
Ihr wissenschaftlicher Ansatz bezieht sich auf die natürliche Auslese von konkurrierenden Mikroorganismen in besonders isolierten Bioreaktoren unter kontrollierten Bedingungen. Hochempfindliche Temperaturfühler verfolgen die Wärmeabgabe der Reaktoren und geben so Aufschluss über die thermodynamische Effizienz der jeweiligen konkurrierenden Bakterienstämme. Metagenomanalysen zeigen an, welche Stämme "das Rennen machen". Arbeitsgruppenleiter Marc Strous plant mit diesem Ansatz, ein prädiktives thermodynamisches Modell zu entwickeln und neue metagenomische Marker zu erhalten. Dieses Konzept soll dann an mikrobiellen Gemeinschaften in der Natur, aber auch bei der Optimierung von biotechnologischen Anwendungen wie der Methanproduktion aus Wasserstoff und der Entfernung von Stickstoff aus Abwässern zum Einsatz kommen.
Das experimentelle Konzept der Bioreaktoren mit hochauflösender Kalorimetrie steht kurz vor dem Einsatz. Die meisten dieser Experimente werden in Bremen erfolgen, die DNA-Sequenzierung und die Metagenomik in Bielefeld.

Weitere Informationen:
http://www.mpi-bremen.de Homepage des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie
http://www.cebitec.uni-bielefeld.de/ Homepage des Center for Biotechnology in Bielefeld

www.mpi-bremen.de

Bild: Bakterien aus einem Bioreaktor - Copyright: Marc Strous