Mikroben lagern Elektronen in magnetischen Partikeln

Bakterien können Elektronen – und damit Energie – in Magnetite pumpen und darin über lange Strecken trans­por­tieren. Das hat ein inter­natio­nales Forscher­team unter der Leitung von James Byrne und Andreas Kappler von der Uni Tübingen fest­ge­stellt. Damit haben die Forscher eine Antwort auf die Frage gefunden, wie Mikro­orga­nismen über weite Ent­fer­nungen Zugang zu Energie­quellen finden. Die Ent­deckung hat nach Ein­schätzung des Teams das Poten­zial, den Weg zu neuen Energie­speicher­techno­logien zu öffnen, bei denen einfach zu züchtende Bakterien mit in der Umwelt reich­lich vor­han­denen magne­tischen Eisen­ab­lage­rungen zusammen­ge­bracht werden könnten.

Der Austausch von Elektronen zur Bereitstellung von Energie ist schon lange als trei­bende Kraft allen Lebens auf der Erde erkannt worden. „Bakterien setzen Energie für den Eigen­ge­brauch frei, indem sie Elek­tronen von einer Quelle zu einem Abla­ge­rungs­ort auf niedri­gerem Energie­niveau ver­schieben “, erläutert Byrne. Ge­eig­nete Elek­tronen­spender und -empfänger zu finden, könne jedoch eine große Heraus­for­derung für die Bakterien sein. Daher hätten viele Orga­nismen be­sondere Stra­tegien ent­wickelt, um alle mög­lichen Mate­ri­alien für diese Zwecke zu nutzen.

Mithilfe von magnetischen Messungen, hochauflösender Elek­tronen­mikro­skopie und der leis­tungs­starken Synchro­tron­ein­richtung Diamond Light Source in Groß­britan­nien konnte das Forscher­team jetzt nach­weisen, dass viele der Mikroben Elek­tronen direkt in magne­tische Eisen­teil­chen hinein­pumpen oder aus ihnen ab­ziehen können. Auf diese Weise können die Partikel genutzt werden, um Energie zu speichern – oder sogar als Energie­über­träger über relativ weite Ent­fer­nungen. „Das ist besonders inte­res­sant, wenn man bedenkt, über welche Distanzen diese Prozesse ab­laufen“, sagt Byrne. „Bakterien sind meistens nur einen Mikro­meter lang. Der Elek­tronen­trans­fer läuft aber teil­weise über mehrere Zenti­meter hinweg.“

Einige Typen von Bakterien können bei der Eisenoxidation die Elek­tronen nur aus den äußeren Nano­metern der Magnetit-Partikel heraus­ziehen, andere Bakterien­typen sind da­gegen bei der Eisen­reduktion in der Lage, die Elek­tronen ins Innere des Magneten zu pumpen. Das spiegelt sich auch im Ver­halten der Bakterien: Die eisen­oxi­die­renden Bakterien können für die Auf­recht­er­haltung ihres Stoff­wechsels und das Wachs­tum nur die klein­sten Teil­chen ver­wenden. Eisen­redu­zie­renden Typen zeigen sich hin­gegen wenig wähle­risch und nutzen Magnetit-Teil­chen aller Größen als Elek­tronen­em­pfänger.

„Unsere Ergebnisse machen deutlich, dass Bakterien Elek­tronen in praktisch über­all verfüg­baren Mate­ri­alien lagern können“, so Byrne. „Die Elekt­ronen können zu einem späteren Zeit­punkt oder einem weiter ent­fernten Ort wieder abge­zogen werden – durch die Bakterien selbst oder auch zur indus­triellen Nutzung.“

EKU / RK