Gift at­men: Mi­kro­bi­el­les Le­ben dank Stick­oxid

Die Stu­die be­gann mit ei­nem Be­such in der Bre­mer Klär­an­la­ge. „Wir sam­mel­ten Schlamm aus dem De­ni­tri­fi­ka­ti­ons­be­cken“, be­rich­tet Gar­ri­do Ama­dor. „Den brach­ten wir in un­ser La­bor, füll­ten ihn in ei­nen un­se­rer Bio­re­ak­to­ren und be­gan­nen die In­ku­ba­ti­on, in­dem wir ihn mit NO füt­ter­ten.“ Bio­re­ak­to­ren die­nen dazu, Mi­kro­or­ga­nis­men un­ter kon­trol­lier­ten Be­din­gun­gen, die ih­rer na­tür­li­chen Um­ge­bung sehr ähn­lich sind, zu züch­ten. Die Ein­rich­tung die­ses Bio­re­ak­tors war je­doch eine gro­ße Her­aus­for­de­rung, er­zählt Gar­ri­do Ama­dor: „Da NO gif­tig ist, be­nö­tig­ten wir spe­zi­el­le Aus­rüs­tung und muss­ten sehr vor­sich­tig mit den Kul­tu­ren um­ge­hen, um uns selbst nicht zu ge­fähr­den. Trotz­dem ist es uns ge­lun­gen, die Kul­tu­ren seit mehr als vier Jah­ren wach­sen zu las­sen – und sie sind im­mer noch wohl­auf!“

Die Be­din­gun­gen im Bio­re­ak­tor be­vor­zug­ten also Mi­kro­or­ga­nis­men, die in An­we­sen­heit von NO le­ben und an­ae­rob wach­sen kön­nen. „Es zeig­te sich, dass zwei bis­her un­be­kann­te Ar­ten die Kul­tur do­mi­nier­ten“, sagt Bo­ran Kar­tal, Grup­pen­lei­ter der For­schungs­grup­pe Mi­kro­bi­el­le Phy­sio­lo­gie am Max-Planck-In­sti­tut in Bre­men. „Wir nann­ten sie Nitricoxidivorans perserverans und Nitricoxidireducens bremensis.“ Gar­ri­do Ama­dor er­gänzt: „An­hand die­ser zwei Mi­kro­ben, die auf NO wach­sen, ha­ben wir viel dar­über her­aus­ge­fun­den, wie so­ge­nann­te Nicht-Mo­dell­or­ga­nis­men – ins­be­son­de­re sol­che, die NO re­du­zie­ren – wach­sen. Ei­ni­ge un­se­rer Be­ob­ach­tun­gen ma­chen deut­lich, dass die­se Mi­kro­ben sich an­ders ver­hal­ten als Mo­dell­or­ga­nis­men – Or­ga­nis­men, die leicht zu kul­ti­vie­ren und da­her um­fas­send er­forscht sind. Wir zei­gen auch, dass Aus­sa­gen über den mi­kro­bi­el­len Stoff­wech­sel al­lein an­hand von Ge­nom­ana­ly­sen nur ein­ge­schränkt mög­lich sind.“

„Der­zeit wis­sen wir nur we­nig dar­über, wie Mi­kro­or­ga­nis­men, die auf NO wach­sen, zum Stick­stoff­kreis­lauf in na­tür­li­chen und künst­li­chen Le­bens­räu­men bei­tra­gen“, er­klärt Kar­tal. „Wir ver­mu­ten aber, dass die­se Mi­kro­or­ga­nis­men sich von NO und N₂O, das von an­de­ren Mi­kro­or­ga­nis­men frei­ge­setzt wird, er­näh­ren, und da­durch ni­tro­sa­ti­ven Stress und die Frei­set­zung die­ser kli­ma­wirk­sa­men Gase in die At­mo­sphä­re ver­rin­gern könn­ten.“

Die an­ge­rei­cher­ten Mi­kro­or­ga­nis­men wa­ren sehr ef­fi­zi­ent dar­in, NO in mo­le­ku­la­ren Stick­stoff (N₂) um­zu­wan­deln. „Es gab prak­tisch kei­ne Frei­set­zung des Treib­haus­ga­ses Lach­gas“, so Kar­tal wei­ter. Die­se al­lei­ni­ge Pro­duk­ti­on von N₂ ist für prak­ti­sche An­wen­dun­gen be­son­ders re­le­vant: Vie­le an­de­re Mi­kro­or­ga­nis­men wan­deln NO in Lach­gas um, das ein star­kes Treib­haus­gas ist. N₂ hin­ge­gen ist harm­los. Je­des Mo­le­kül NO, das in N₂ statt in Lach­gas um­ge­wan­delt wird, ist also ein Mo­le­kül we­ni­ger, das zum Kli­ma­wan­del bei­trägt.

In ei­nem nächs­ten Schritt kul­ti­vie­ren die Max-Planck-For­schen­den wei­te­re NO-at­men­de Mi­kro­or­ga­nis­men, die sie in na­tür­li­chen und künst­li­chen Le­bens­räu­men sam­meln. „Durch die Kul­ti­vie­rung und An­rei­che­rung wei­te­rer NO-at­men­der Mi­kro­or­ga­nis­men wer­den wir die Evo­lu­ti­on der Stick­oxid-Re­duk­ti­on und der be­tei­lig­ten En­zy­me bes­ser ver­ste­hen. So wer­den wir auch die Rol­le von NO in be­kann­ten und noch un­be­kann­ten Pro­zes­sen des Stick­stoff­kreis­laufs und sei­ne Be­deu­tung in na­tür­li­chen und künst­li­chen Um­ge­bun­gen, in de­nen die­se Pro­zes­se ab­lau­fen, ent­schlüs­seln kön­nen“, schließt Gar­ri­do Ama­dor.

Pa­lo­ma Gar­ri­do-Ama­dor, Niek Stor­ten­be­ker, Hans J.C.T. Wes­sels, Daan R. Speth, In­ma­cu­la­da Gar­cia-Here­dia, Bo­ran Kar­tal (2023): En­rich­ment and cha­rac­te­riza­t­i­on of a nitric oxi­de-re­du­cing mi­cro­bi­al com­mu­ni­ty in a con­ti­nuous bio­re­ac­tor. Na­tu­re Mi­cro­bio­lo­gy (2023). Pu­blis­hed on­line July 10, 2023.

DOI: 10.1038/​s41564-023-01425-8

• Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Celsiusstraße 1, 28359, Bremen, Deutschland
• Translational Metabolic Laboratory, Department of Laboratory Medicine, Radboud University Medical Center, Geert Grootepleinzuid 10, 6525GA, Nijmegen, Niederlande
• School of Science, Constructor University, Universität Bremen, Campus Ring 1, 28759, Bremen, Deutschland

• Mi­kro­ben kön­nen auf Stick­stoff­mon­oxid (NO) wach­sen
• Die Entschlüsselung des mikrobiellen Stickstoffkreislaufs