Archaeen sind da! Wasserstoffbetriebene Autos könnten künftig von „Mikroorganismen“ angetrieben werden

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Angesichts der immer schwerwiegenderen Umweltprobleme wie der globalen Erwärmung hat sich die Entwicklung sauberer neuer Energien rasant entwickelt. Neben der jedem bekannten Solar- und Windenergie ist auch die Wasserstoffenergie, bei der Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird, eine sehr wichtige saubere Energie, da bei der Verbrennung von Wasserstoff nur wertvolles Wasser entsteht und keinerlei Kohlendioxidemissionen entstehen. Allerdings sind Herstellung, Lagerung und Transport von Wasserstoff technisch schwierig und die Kosten nach wie vor hoch. Eine neue Entdeckung von Biologen könnte nun einen neuen technologischen Weg eröffnen, der es Archaeen ermöglicht, uns bei der Produktion von Wasserstoff zu unterstützen.

Was sind Archaeen? Da es sich bei ihnen um kleine einzellige Organismen handelt, ähneln sie oberflächlich betrachtet sehr stark Bakterien und wurden daher lange Zeit als Archaeen bezeichnet. Weil die Wissenschaftler damals glaubten, sie seien älter als Bakterien. Mit der Entwicklung der Genomsequenzierungstechnologie in den letzten Jahren deuten jedoch immer mehr Hinweise darauf hin, dass es sich bei diesen sogenannten Archaeen nicht um die gleiche Art von Organismen wie Bakterien handelt. Aus diesem Grund wurden sie von den Biologen in Archaeen umbenannt und zu einer eigenen Archaeendomäne. Dem gegenüber stehen die Domäne Bakterien und die Domäne Eukaryota. Alle Arten makroskopischer Organismen, die wir im täglichen Leben sehen können, wie Pflanzen, Tiere (einschließlich des Menschen selbst) und einige Mikroorganismen wie Pilze, gehören alle zum Bereich der Eukaryoten.

Der Grund, warum unser Verständnis der Archaeen so lückenhaft ist, liegt hauptsächlich darin, dass sie Bakterien zu sehr ähneln und eukaryotischen Zellen nicht sehr ähnlich sind. Beispielsweise haben die Zellen von Eukaryoten einen geformten Zellkern, der von einer Kernmembran umgeben ist, während Archaeen und Bakterien keinen geformten Zellkern haben. Daher werden Archaeen und Bakterien zusammenfassend als Prokaryoten bezeichnet. Darüber hinaus ist die Zellgröße von Archaeen und Bakterien deutlich kleiner als die von eukaryotischen Zellen. Die Genome von Archaeen und Bakterien sind kreisförmig, während die Genome eukaryotischer Zellen zu komplexen Chromosomen zusammengesetzt sind.

Als das menschliche Verständnis der Biologie jedoch bis auf die molekulare Ebene vordrang, entdeckte man, dass einige Kernsysteme der Archaeen eher den Eukaryoten ähneln. So ist beispielsweise die DNA sowohl von Archaeen als auch von Eukaryoten um eine Klasse von Proteinen namens Histone gewickelt, was die regulierbare Stabilität der Struktur erhöht. Bakterien verfügen jedoch nicht über einen derartigen Mechanismus. Auf einer tieferen Ebene ähneln der Transkriptionsmechanismus, der DNA-Replikationsmechanismus, der DNA-Reparaturmechanismus und die an diesen Mechanismen beteiligten Enzyme der Archaeen eher den eukaryotischen Systemen und unterscheiden sich deutlich von den bakteriellen Systemen.

Darüber hinaus verfügen Archaeen über einige einzigartige Eigenschaften. Beispielsweise unterscheidet sich die Zusammensetzung ihrer Zellmembran von der von Bakterien und Eukaryoten.

Gerade aufgrund dieser übergreifenden Ähnlichkeit fällt es den Wissenschaftlern schwer, die evolutionären Ursprünge von Archaeen, Bakterien und Eukaryoten herauszufinden. Eine heute weithin akzeptierte Theorie besagt, dass Eukaryoten durch die zufällige Kombination von Archaeen und Bakterien entstanden sind. Es gibt jedoch einige Aspekte dieser Theorie, die nicht erklärt werden können und noch untersucht werden müssen.

Wo auch immer ihr Ursprung liegt, auf der Erde leben Archaeen heute harmonisch neben Bakterien und uns Eukaryoten. Die in frühen Studien entdeckten Archaeen befanden sich hauptsächlich in extremen Umgebungen, beispielsweise in hydrothermalen Quellen mit hohem Druck und hohen Temperaturen in der Tiefsee sowie in Umgebungen mit extremen Chemikalien. Mit der Entwicklung der Genomsequenzierung, insbesondere der metagenomischen Sequenzierung der mikrobiellen Flora, wurde jedoch festgestellt, dass Archaeen tatsächlich in verschiedenen Umgebungen auf der Erde weit verbreitet sind, sogar in unserem Darm. Menschen und andere Säugetiere wie Kühe haben in ihrem Darm eine Gruppe von Methanogenen, die bei der Verdauung helfen und unserem Verdauungsprozess auch etwas von seinem Geschmack verleihen.

Archaeen, die in extrem chemischen Umgebungen überleben, haben oft ihre eigenen, einzigartigen Überlebensmethoden. Sie verfügen weder über die Möglichkeit zur Photosynthese wie Pflanzen, noch können sie auf die Nährstoffe anderer Organismen zugreifen. Daher entwickelten diese Archaeen Möglichkeiten, Energie aus chemischen Reaktionen zu gewinnen. Beispielsweise können Sulfide, die für uns stinken und giftig sind, als Energiequelle genutzt werden. Aktuelle Forschungen von Wissenschaftlern haben ergeben, dass einige Archaeen zur Entfernung überschüssiger Elektronen, die bei der Energieerzeugung entstehen, eine Hydrogenase entwickelt haben, die die Kombination von Elektronen mit Wasserstoffionen im Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff katalysieren kann.

Hydrogenasen wurden bereits zuvor in Bakterien und Eukaryoten entdeckt, aber da Archaeen in extremen Umgebungen leben, können ihre Hydrogenasen auch in extremeren Umgebungen stabil arbeiten, was Hoffnung für die industrielle Anwendung von Hydrogenasen weckt. Ihr wasserstoffbetriebenes Auto könnte in Zukunft von Archaeen angetrieben werden.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird. Autor: Ye Sheng

Gutachter: Tao Ning, Assoziierter Forscher, Institut für Biophysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

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