Während die Welt auf grünen Wasserstoff und andere erneuerbare Energiequellen setzt, haben Wissenschaftler entdeckt, dass Archaeen – die dritte Lebensform nach Bakterien und Eukaryoten – bereits seit Milliarden von Jahren mithilfe von Wasserstoffgas und „ultraminimalen“ Enzymen Energie erzeugen.
Konkret entdeckte das internationale Forscherteam, dass mindestens neun Stämme der Archaeen – einer Gattung einzelliger Organismen ohne innere membrangebundene Strukturen – Wasserstoffgas mithilfe von Enzymen produzieren, von denen man annahm, dass sie nur in den anderen beiden Lebensformen vorkommen.
Sie stellten fest, dass Archaeen im Vergleich zu Bakterien und Eukaryoten nicht nur die kleinsten wasserstoffverbrauchenden Enzyme besitzen, sondern dass ihre Enzyme für den Verbrauch und die Produktion von Wasserstoff auch die komplexesten sind, die bisher charakterisiert wurden.
Diese kleinen und leistungsstarken Enzyme haben es Archaeen anscheinend ermöglicht, in einigen der lebensfeindlichsten Umgebungen der Erde, in denen wenig bis gar kein Sauerstoff vorhanden ist, zu überleben und zu gedeihen.
„Der Mensch hat erst vor kurzem begonnen, über die Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle nachzudenken, aber Archaeen tun dies schon seit einer Milliarde Jahren“, sagt Pok Man Leung, ein Mikrobiologe an der Monash University in Australien, der die Studie mitleitete.
„Biotechnologen haben nun die Möglichkeit, sich von diesen Archaeen inspirieren zu lassen, um Wasserstoff industriell zu produzieren.“
Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum und wird weltweit zur Herstellung von Düngemitteln und anderen Chemikalien, zur Metallbehandlung, zur Lebensmittelverarbeitung und zur Raffination von Kraftstoffen verwendet.
Die Zukunft von Wasserstoff liegt jedoch in der Energiespeicherung und Stahlherstellung. Wasserstoff könnte emissionsfrei produziert werden, wenn erneuerbare Energien zur Umwandlung von Materialien wie Wasser in Wasserstoffgas genutzt würden.
Mikroorganismen produzieren und freisetzen Wasserstoffgas (H2) für ganz andere Zwecke, hauptsächlich um überschüssige Elektronen zu entsorgen, die bei der Gärung entstehen, einem Prozess, bei dem Organismen ohne Sauerstoff Energie aus Kohlenhydraten wie Zucker gewinnen.
Enzyme zum Verbrauch oder zur Produktion von H2 werden Hydrogenasen genannt und wurden erst vor acht Jahren im gesamten Stammbaum des Lebens erstmals umfassend untersucht. Seitdem ist die Zahl der bekannten mikrobiellen Arten explosionsartig angestiegen, insbesondere die der Archaeen, die sich in extremen Umgebungen wie heißen Quellen, Vulkanen und Tiefseequellen verstecken.
Von den meisten Archaeen weiß man allerdings nur, dass man in diesen Umgebungen Teile ihres genetischen Codes gefunden hat, und viele konnten bisher nicht im Labor kultiviert werden, weil dies sehr schwierig ist.
Also suchten der Mikrobiologe Chris Greening von der Monash University und seine Kollegen nach dem Gen, das einen Teil einer Art von Hydrogenase kodiert, einer schnell wirkenden [FeFe] Hydrogenasen, in mehr als 2.300 archäischen Artenclustern, die in einer globalen Datenbank aufgeführt sind.
Dann beauftragten sie Googles AlphaFold2 mit der Vorhersage der Struktur der kodierten Enzyme und drückten diese Enzyme in E coli Bakterien, um zu überprüfen, ob diese Gene tatsächlich funktionsfähig waren und Hydrogenasen produzierten, die in der Lage waren, Wasserstoffreaktionen in ihrem Ersatzwirt zu katalysieren.
„Unsere Entdeckung bringt uns dem Verständnis, wie dieser entscheidende Prozess zur Entstehung aller Eukaryoten, einschließlich des Menschen, führte, einen Schritt näher“, sagt Leung.
Eukaryoten sind Organismen, deren Zellen einen Zellkern und membrangebundene Organellen wie Mitochondrien und andere nützliche Zellfabriken enthalten.
Alle Eukaryoten gehen vermutlich aus der Verbindung einer anaeroben Archaeose mit einem Bakterium hervor, das diese vor Milliarden von Jahren verschlang. Eine zweite, viel spätere Endosymbiose führte dann zum Vorfahren der Pflanzen mit Chloroplasten.
Greening, Leung und ihre Kollegen fanden die genetischen Anweisungen für [FeFe] Hydrogenasen in neun Archaeenstämmen und bestätigten, dass sie in diesen Mikroorganismen tatsächlich aktiv sind. Damit werden diese Enzyme in drei von drei Lebensbereichen zur Wasserstoffproduktion eingesetzt.
Doch im Gegensatz zu Bakterien und Eukaryoten zeigten weitere Analysen, dass Archaeen für ihren Wasserstoffproduktionsbedarf „bemerkenswerte Hybridkomplexe“ bilden, indem sie zwei Arten von Hydrogenasen miteinander verschmelzen.
„Diese Erkenntnisse enthüllen neue metabolische Anpassungen von Archaeen, optimierte H2 Katalysatoren für die biotechnologische Entwicklung und eine überraschend verflochtene Evolutionsgeschichte zwischen den beiden großen H2-metabolisierende Enzyme”, schreibt das Team in seinem Artikel.
Viele der im Rahmen dieser Studie analysierten katalogisierten Archaeengenome sind allerdings unvollständig und wer weiß, wie viele weitere Arten noch entdeckt werden müssen.
Es ist mehr als wahrscheinlich, dass Archaeen über andere raffinierte Möglichkeiten zur Energieerzeugung verfügen, die wir noch entdecken müssen.
Die Studie wurde veröffentlicht in Zelle.