Forschende der Universität Freiburg konnten aufklären, wie sich die Chemie von Bakterien verändert, die ohne Sauerstoff auskommen, wenn man ihnen unterschiedliche äussere Bedingungen «aufbrummt». So produzieren sie bis zu 5 Millionen Elektronen pro Sekunde. Die Erkenntnisse dürften auch die Batterie-Hersteller freuen.

Auch heute gibt es noch Organismen, beispielsweise Bakterien, die ohne Sauerstoff auskommen. Chemiker_innen der Arbeitsgruppe um die Professor_innen Katharina M. Fromm und Bernd Giese haben diese Bakterien nun verschiedenen Metallionen und unterschiedlichen Konzentrationen derselben ausgesetzt und untersucht, wie die Mikroben sich chemisch an diesen äusseren Stress anpassen.

Bakterien nehmen es gelassen
Anaerobe Bakterien atmen nicht mit Sauerstoff, sondern regeln ihren Energiehaushalt, in dem sie Elektronen zum Beispiel mit Metallionen in der Aussenwelt austauschen. Metallionen (in Mineralien oder in gelöster Form) sind daher für solche Mikroorganismen genauso wichtig wie der Sauerstoff für uns. Die Forschenden konnten messen und zeigen, wie sich innerhalb weniger Minuten chemische Komponenten an die äusseren Bedingungen anpassen und dadurch ein Überleben der Zellen erlauben. Bei diesen chemischen Komponenten handelt es sich um sogenannte Cytochrome. Diese transportieren die Elektronen durch die Zellmembran hindurch nach aussen. Sie können mehr oder weniger (mit Elektronen) geladen vorliegen und liefern so einen konstanten Stromfluss nach aussen (Homöostase), quasi unabhängig von den äusseren Bedingungen.

Bakterien für Batterien
Auch die Anzahl produzierter Elektronen konnte mit diesen Experimenten ermittelt werden: Ein Bakterium, also eine einzige Zelle, produziert demnach rund 500'000 Elektronen pro Sekunde, in der Wachstumsphase auch zehnmal mehr. Kein Wunder also, dass man solche Bakterien auch in Batterien einsetzt. Die Studienergebnisse enthalten wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung zukünftiger Batterien. Denkbar wären neue nachhaltige wiederaufladbare Bio-Akkus. Zudem lassen sich diese Bakterien dank ihrer Eigenschaften als kleine Helfer zum Abbau von Schadstoffen und zur Biosanierung von Abwasser einsetzen.  

Paper: «Kinetic and Mechanism of Mineral Respiration: How Iron-Hemes Synchronize Electron Transfer Rates», angenommen in Angewandte Chemie, Int. Edition, DOI: 10.1002/anie.201914873

Autor_innen: M. Karamash, M. Füeg, V. Chabert, L. Simond, E. Madivoli, N. Hérault, C. Salgueiro, J. Dantas, B. Giese, K. M. Fromm