Koloriertes REM des Manganoxid-Nebenprodukts, das von den Bakterien produziert wird. (Hang Yu/Caltech) Als der Mikrobiologe Jared Leadbeater nach einer Arbeitsreise zum ersten Mal seit Monaten wieder in sein Büro zurückkehrte, fand er etwas Seltsames. Eine cremefarbene Mangancarbonat-Verbindung (MnCO3), die Glaswaren beschichtet hatte, die er in seinem Waschbecken liegen gelassen hatte, war dunkel geworden. Etwas hatte einige seiner Elektronen gestohlen.
„Ich dachte: ‚Was ist das?‘“ sagte Leadbeater, ein Forscher am California Institute of Technology (Caltech). Bei der dunklen Substanz handelte es sich um eine Form von Manganoxid – ein Produkt, das entsteht, wenn Manganionen Elektronen verlieren und eine Reaktion namens Oxidation eingehen.
Aber etwas musste die Reaktion auslösen – ein Elektronendieb.
„Ich begann mich zu fragen, ob lang gesuchte Mikroben dafür verantwortlich sein könnten“, sagte Leadbeater erklärt „Also haben wir systematisch Tests durchgeführt, um das herauszufinden.“
Um zu überprüfen, ob dies wirklich auf einen biologischen Prozess zurückzuführen ist, beschichteten Leadbeater und sein Team weitere Gläser mit MnCO3 und sterilisierten einige davon mit heißem Dampf (MnCO3 ist unter diesen Bedingungen bekanntermaßen stabil).
Die Manganverbindung auf diesen Flaschen verdunkelte sich nicht (auch nicht ein Jahr später), bei den Flaschen, die nicht sterilisiert worden waren, jedoch schon. Daher musste der Elektronendieb etwas sein, das durch heißen Dampf zerstört werden konnte.
Also kultivierten die Forscher den Inhalt der Gläser. Die RNA-Analyse ergab 70 Bakterienarten, aber mit weiteren Tests gelang es dem Team, einige auszuschließen, bis nur noch zwei mögliche Täter übrig blieben.
Sie waren Nitrospirae Bakterien, die normalerweise halbmondförmig sind, und die stäbchenförmigen Betaproteobakterium . Es ist bekannt, dass Verwandte dieser beiden Bakterienarten im Grundwasser leben.
„Wir haben [das Betaproteobakterium] als einzelne Kolonien aus zerstörten Oxiden isoliert … aber diese Art oxidiert MnCO3 nicht allein.“ „Entweder sind die Nitropirae allein für die Mn(II)-Oxidation verantwortlich, oder die Aktivität ist konsortial“, so das Team schreibt in einer neuen Studie .
Das Team erkannte, dass der Elektronendiebstahl möglicherweise eine Teamleistung war. Aber was war das Motiv? Die Forscher hatten ihren Verdacht.
Sie verwendeten in einigen ihrer Kulturen Mangan, das mit Kohlenstoff 13 markiert war, und tatsächlich bauten die Bakterien diese Kohlenstoffisotope in ihren Körper ein.
Dies bestätigte, dass die verdächtigen Bakterien autotroph waren und in der Lage waren, mithilfe einer Energiequelle ihre eigene Nahrung zu produzieren.
Die Bakterien nutzten die Energie der Manganelektronen, um CO2 in nutzbaren Kohlenstoff umzuwandeln, so wie Pflanzen Sonnenlicht nutzen, um bei der Photosynthese CO2 und Wasser in Zucker und Sauerstoff umzuwandeln.
Dieser Vorgang wird aufgerufen Chemosynthese , und solange bekannt ist, dass es auftritt Verwendung anderer Metalle , es ist das erste Mal, dass Zellen Mangan auf diese Weise nutzen.
„Dies sind die ersten Bakterien, bei denen festgestellt wurde, dass sie Mangan als Brennstoffquelle nutzen“, erklärt Leadbetter, obwohl die Existenz solcher Mikroben bereits vor über einem Jahrhundert vorhergesagt wurde.
Mangan ist auch für uns ein lebenswichtiger Nährstoff. Unser Körper verwendet es für Dinge wie die Verarbeitung von Fetten und Proteinen und den Knochenaufbau, und wir nehmen es aus Lebensmitteln wie Nüssen, Tees und Blattgemüse auf.
Obwohl es eines der häufigsten Elemente auf der Oberfläche unseres Planeten ist, bleibt vieles über Mangan und seinen Kreislauf auf der Erde ein Rätsel – einschließlich seiner seltsamen Tendenz, Wasserleitungen zu verstopfen.
„Es gibt eine ganze Reihe umwelttechnischer Fachliteratur über Verstopfungen von Trinkwasserverteilungssystemen durch Manganoxide“, sagte Leadbetter.
„Aber wie und aus welchem Grund solches Material dort entsteht, bleibt ein Rätsel. Offensichtlich haben viele Wissenschaftler angenommen, dass Bakterien, die Mangan zur Energiegewinnung nutzen, dafür verantwortlich sein könnten, aber Beweise für diese Idee gab es bisher nicht.“
Manganoxid erscheint auf mysteriöse Weise auch als Knötchen auf weiten Teilen des Meeresbodens und Mangan ist an vielen miteinander verbundenen Kreisläufen von Elementen beteiligt, darunter Kohlenstoff, Stickstoff, Eisen und Sauerstoff.
Die Existenz von Mangan-Elektronendieben wie diesen neu entdeckten Bakterien könnte also vieles erklären.
Die Forscher sagen, dass die Zellverdopplungszeiten und Oxidationsraten der Bakterien in nur zwei Jahren Manganoxide in Mengen erzeugen würden, die den globalen Reserven entsprechen.
Nahe Verwandte dieser Arten scheinen an vielen Orten zu vorkommen, daher könnte ihr Potenzial, dieses Metall über die Erde zu transportieren, enorm sein.
„Diese Entdeckung füllt eine große intellektuelle Lücke in unserem Verständnis der Elementarkreisläufe der Erde und trägt zu den vielfältigen Möglichkeiten bei, in denen Mangan, ein unbekanntes, aber weit verbreitetes Übergangsmetall, die Entwicklung des Lebens auf unserem Planeten geprägt hat.“ sagte Caltech-Geobiologe Woodward Fischer, der nicht an der Studie beteiligt war.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Natur .