Biomasse aufbauen – Membrankomplex hilft Steinfresser-Mikroorganismen, Kohlendioxid umzuwandeln

„Steinfresser-Mikroorganismen“ nutzen anorganische Energiequellen zur CO₂-Fixierung und stellen den Großteil der globalen Biomasse-Produzenten dar. Ein Forschungsteam der Universitäten Potsdam und Marburg untersuchte nun mittels Elektronenmikroskopie und Infrarotspektroskopie die Struktur des Membrankomplexes DAB2 im Schwefelbakterium Halothiobacillus neapolitanus. Dieser Komplex ist essenziell für die intrazelluläre CO₂-Anreicherung. Die neuen Erkenntnisse liefern detaillierte Einblicke in die molekulare Architektur dieses Systems und erweitern das Verständnis der mikrobiellen Kohlenstoffkonzentrierung.

Kohlenstofffixierung in der Mikrobiologie

Kohlendioxid dient als essenzielle Kohlenstoffquelle für die globale Biomasseproduktion. Während phototrophe Organismen wie Pflanzen und Cyanobakterien die Energie des Sonnenlichts zur Synthese komplexer Kohlenhydrate nutzen, verwertet die Mehrheit der Mikroorganismen anorganische Substrate. Diese lithotrophen Organismen – auch „Steinfresser“ genannt – gewinnen ihre Energie aus der Oxidation von Verbindungen wie H₂, CO oder Schwefelverbindungen. Trotz unterschiedlicher Energiequellen spielen diese autotrophen Prozesse eine Schlüsselrolle im globalen Kohlenstoffkreislauf und der Biomassebildung in Form von Glukose, Stärke und Zellulose.

Energetik des Bikarbonat-Transports

In wässriger Lösung bildet CO₂ durch Dissoziation von Kohlensäure Bikarbonat (HCO₃^–). Während CO₂ die Lipiddoppelschicht der Zellmembran durch passive Diffusion passiert, erfordert die Translokation des geladenen HCO₃^– -Anions üblicherweise eine ATP-abhängige Energiezufuhr. Lithoautotrophe Mikroorganismen, die oft in energetisch limitierten Extremhabitaten siedeln, nutzen jedoch eine effizientere Strategie zur ATP-Schonung: Der Membrankomplex DAB2 katalysiert die direkte intrazelluläre Bildung von HCO₃^– aus diffundiertem CO₂. Dieser Mechanismus ermöglicht die Akkumulation von anorganischem Kohlenstoff ohne den direkten Verbrauch von Adenosintriphosphat.

Ionengradienten zur ATP-freien CO2-Akkumulation

Das Forschungsteam untersuchte den Mechanismus der gezielten, ATP-unabhängigen HCO₃^– -Anreicherung durch DAB2. „Mithilfe der Elektronenmikroskopie haben wir die Struktur von DAB2 aus dem Schwefelbakterium Halothiobacillus neapolitanus untersucht und konnten zeigen, dass die oben beschriebene Kohlensäurereaktion an das Konzentrationsgefälle über der Zellmembran gekoppelt ist“, erklärt Dr. Jan Schuller. Dieses elektrochemische Potenzial, resultierend aus der asymmetrischen Verteilung geladener Ionen wie Protonen (H⁺), dient als universeller biologischer Energiespeicher. „Zusammen mit den spektroskopischen Daten haben wir eine Theorie entwickelt, der zufolge lithoautotrophe Mikroorganismen das Konzentrationsgefälle über der Zellmembran nutzen, um eine ATP-unabhängige Umwandlung von CO₂ nach HCO₃^– zu katalysieren“, ergänzt Dr. Sven Stripp. Diese Kopplung optimiert den Energiehaushalt der Organismen und sichert den Biomasseaufbau unter extremen Umweltbedingungen.

Quelle

Universität Potsdam (05/2026)