Von der Natur lernen 12.06.2024, 08:33 Uhr

Wie Archaebakterien Wasserstoff nutzen und die Energiewende voranbringen können

Archaeen nutzen seit einer Milliarde Jahren Wasserstoff zur Energiegewinnung. Wir Menschen benötigen wertvolle chemische Katalysatoren, um Wasserstoff energetisch nutzbar zu machen. Wir könnten daher noch einiges von der Natur lernen.

Yellowstone Nationalpark

In den heißen Quellen des Yellowstone-Nationalparks leben verschiedenste thermophile Archaeen, aber Bakterien und Mikroalgen.

Foto: PantherMedia / f11photo

Archaeen gehören neben Bakterien und Eukaryoten zu den drei Hauptgruppen der Lebewesen. Wissenschaftler haben nun ein grundlegendes Rätsel der Biologie gelöst: den Stoffwechsel der Archaeen. Diese urtümlichen Mikroorganismen erzeugen und nutzen Wasserstoff durch spezielle Enzyme zur Energiegewinnung. Diese Strategie hat ihnen über Milliarden Jahre hinweg das Überleben selbst in den unwirtlichsten Umgebungen ermöglicht. Wir Menschen können von diesem natürlichen Prozess lernen, um innovative Ansätze zur Nutzung von Wasserstoff für eine grüne Wirtschaft zu entwickeln.

Braucht es ein neues Lehrbuch der Grundlagenbiologie?

Ein internationales Forscherteam hat unser Verständnis von Archaeen, den mikrobiellen Vorfahren des Menschen vor zwei Milliarden Jahren, revolutioniert. Sie haben gezeigt, wie diese Mikroorganismen Wasserstoffgas nutzen. Die in der Wissenschaftszeitschrift Cell veröffentlichten Forschungsergebnisse erklären, wie Archaeen Energie gewinnen, indem sie Wasserstoff produzieren und verbrauchen. Diese einfache und zuverlässige Methode hat es ihnen ermöglicht, über Milliarden von Jahren in den lebensfeindlichsten Umgebungen der Erde zu überleben.

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Die Studie, geleitet von Forschenden des Biomedicine Discovery Institute der Monash University, Australien, darunter Professor Chris Greening, Professor Jill Banfield und Dr. Bob Leung, verändert unser Verständnis der Grundlagenbiologie. Dr. Bob Leung betonte, dass diese Entdeckung über eine der ältesten Lebensformen der Erde auch für die menschliche Existenz von großer Bedeutung sein könnte. Sie könnte uns helfen, neue Wege zur Nutzung von Wasserstoff für eine grüne Wirtschaft zu entwickeln.

„Die Menschen haben erst vor kurzem damit begonnen, über die Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle nachzudenken, aber Archaeen tun dies schon seit einer Milliarde Jahren. Biotechnologen haben nun die Möglichkeit, sich von diesen Archaeen inspirieren zu lassen, um Wasserstoff industriell zu produzieren“, so Dr. Leung.

Die Ursprünge des Lebens: Archaeen als Schlüssel zur Evolution

An der Spitze der Lebenspyramide gibt es drei Hauptgruppen: Eukaryoten (zu denen Tiere, Pflanzen und Pilze gehören), Bakterien und Archaeen. Archaeen sind einzellige Organismen, die in den extremsten Umgebungen der Erde überleben können. Laut der am weitesten akzeptierten Theorie entstanden Eukaryoten, wie der Mensch, aus einer alten Linie von Archaeen. Diese verschmolzen mit einer Bakterienzelle durch den Austausch von Wasserstoffgas.

„Unsere Entdeckung bringt uns einen Schritt näher daran zu verstehen, wie dieser entscheidende Prozess zur Entstehung aller Eukaryoten, einschließlich des Menschen, geführt hat“, erklärt Dr. Leung.

Überraschende Vielfalt

Das Team untersuchte die Genome Tausender Archaeen auf wasserstoffproduzierende Enzyme und stellte diese Enzyme im Labor her, um ihre Eigenschaften zu erforschen. Dabei entdeckten sie, dass einige Archaeen ungewöhnliche Enzyme namens [FeFe]-Hydrogenasen nutzen.

Diese Archaeen, die wasserstoffverwertende Enzyme produzieren, findet man in extremen Umgebungen wie heißen Quellen, Ölreservoirs und tief unter dem Meeresboden. Bisher nahm man an, dass Hydrogenasen nur in Eukaryoten und Bakterien vorkommen. Das Team konnte nun erstmals nachweisen, dass auch Archaeen diese Enzyme besitzen und sie in Form und Funktion äußerst vielfältig sind.

Archaeen: Winzige Enzyme mit großem Potenzial für die grüne Wirtschaft

Archaeen besitzen nicht nur die kleinsten, sondern auch die komplexesten wasserstoffverwertenden Enzyme. Die Forschung zeigt, dass einige dieser Mikroorganismen die kleinsten wasserstoffproduzierenden Enzyme aller Lebensformen haben. Dies könnte zu optimierten Lösungen für die biologische Wasserstoffproduktion in industriellen Anwendungen führen.

Professor Chris Greening betont, dass die Erkenntnisse über die Wasserstoffnutzung der Archaeen bedeutende Anwendungen für den Übergang zu einer grünen Wirtschaft haben könnten. Professor Greenig fragt: „Derzeit verwendet die Industrie teure chemische Katalysatoren zur Wasserstoffnutzung. Aus der Natur wissen wir jedoch, dass biologische Katalysatoren sehr effizient und widerstandsfähig sein können. Können wir diese nutzen, um die Wasserstoffnutzung zu verbessern?“

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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