Forschende der Goethe-Universität Frankfurt, der Universität Marburg und der Universität Stockholm haben einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis der Zellatmung bei urzeitlichen Mikroben erzielt. Diese Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Nature Communications, beschreibt einen neu entdeckten Mechanismus, durch den Bakterien Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff zur Herstellung von Essigsäure verwenden, was einen frühen Stoffwechselweg in der Evolution darstellt. Das Ergebnis könnte nicht nur die Grundlagen biochemischer Prozess verstehen helfen, sondern bietet auch Perspektiven für die Bekämpfung des Klimawandels.
Die untersuchten Mikroben sind in sauerstofffreien Ökosystemen zu finden und spielen eine Schlüsselrolle, indem sie CO2 aus ihrer Umgebung filtern und umwandeln. Diese Eigenschaft macht sie zu Hoffnungsträgern im Kampf gegen den Klimawandel. Während Tiere und Pflanzen Sauerstoff zur ATP-Produktion nutzen, könnte eine Sonderform der Atmung in der frühen Erdatmosphäre existiert haben, die auf diesen urzeitlichen Bakterien basierte.
Mechanismus der ATP-Produktion
Der Mechanismus zur ATP-Produktion aus Essigsäure war bislang unklar. Die aktuellen Forschungen zeigen, dass dieser Prozess mit der Pumpe von Natrium-Ionen aus der Bakterienzelle verbunden ist. Zentraler Bestandteil ist der Rnf-Komplex, der erst vor wenigen Jahren isoliert wurde. Diese verschiedenen Proteinkomplexe spielen eine Schlüsselrolle, indem sie Elektronen vom Wasserstoff auf das Kohlenstoff-Atom von CO2 übertragen. Dieser Elektronenfluss zieht positiv geladene Natrium-Ionen aus der Zelle, was zur Produktion von ATP führt.
Ein Cluster von Eisen- und Schwefel-Atomen zeigt sich als entscheidend für den Prozess. Mittels Kryo-Elektronenmikroskopie haben Wissenschaftler die Struktur des Rnf-Komplexes untersucht und konnten somit die Funktionsweise hinter dem Mechanismus besser verstehen. Dieser Erkenntnisgewinn könnte in Zukunft dazu beitragen, CO2 aus Industrieabgasen zu extrahieren und wertvolle Ausgangsstoffe für die chemische Industrie zu gewinnen.
Auswirkungen und Visionen
Die Ergebnisse dieser Untersuchung eröffnen nicht nur neue Perspektiven in der Biochemie, sondern könnten auch wichtige Ansätze für die Entwicklung neuer Medikamente gegen Krankheitserreger bieten, die ähnliche Atmungsenzyme nutzen. Diese meldeten in der Forschung besonders großes Potenzial und viele inspirierende Möglichkeiten im Hinblick auf künftige therapeutische Interventionen.
Zusätzlich ist die Atmung ein zentrales Thema der Biologie. Atmung bezieht sich auf den Gasaustausch zwischen Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2). Dabei spielen das Herz-Kreislauf-System und das Atmungssystem eine wesentliche Rolle. Das Herz-Kreislauf-System transportiert O2 und CO2 zwischen den Geweben und der Lunge, während die Lunge selbst als eine Art Luftpumpe fungiert. Sie ermöglicht die Belüftung und den Gasaustausch, essenzielle Vorgänge für die Zellatmung.
Die Atemwege, die in den Alveolen enden, haben eine entscheidende Funktion in diesem Prozess. Etwa 300 Millionen Alveolen bieten eine Gesamtoberfläche von 70 Quadratmetern, über die der Gasaustausch stattfindet. Die Lunge modifiziert den inneren Druck durch Zwerchfellbewegungen, ermöglicht die Inspiration und Exspiration und steuert den Gasaustausch passiv oder aktiv. Diese biologische Komplexität illustriert die fortschrittlichen Anpassungen lebender Organismen an ihr Umfeld.
Insgesamt haben die neuen Forschungsergebnisse nicht nur das Verständnis von urzeitlichen Atmungsmechanismen erweitert, sondern auch deren moderne Anwendungen in Forschung und Industrie aufgedeckt. Dies könnte tiefgreifende Auswirkungen auf zukünftige Ansätze in der Umwelttechnik und der Medizin haben.