Die Rolle mikrobieller Nanodrähte bei der Elektronenübertragung auf unlösliche Eisen(hydr)oxide
Final Report Abstract
Das Leben von bakteriellen Gemeinschaften spielt sich in Biofilmen ab, bei denen die Bakterien in den distalen Bereichen des Biofilms mit dem Problem konfrontiert sind, keinen direkten Zugang mehr zu Elektronenakzeptoren oder Nährstoffen zu haben. Es stellte sich somit die Frage wie diese Bakterien aktiv respirieren können. Erste Hinweise für einen möglichen Mechanismus lieferten die Untersuchungen von Reguera et al., 2005, in denen gezeigt wurde, dass bakteriellen Fortsätze (sogenannte Pili) eines Eisen-reduzierenden Bakteriums, leitfähig sind und somit eine natürliche Verlängerung der Atmungskette darstellen könnten. Diese leitfähigen Pili wurden seitdem auch als mikrobielle Nanodrähte bezeichnet. Der Befund von diesen leitfähigen Pili erlangte schnell eine hohe Aufmerksamkeit in der Fachwelt und führte zur Formulierung zahlreicher Hypothesen u.a. dass diese leitfähigen Pili ein natürliches elektrisches Netz über den gesamten Boden ausbilden und somit eine weitreichende Vernetzung von verschiedensten bakteriellen Gemeinschaften ermöglichen. Die Entdeckung dieser mikrobiellen Nanodrähten hat somit neue Perspektiven für die Interaktion zwischen Bakterien und bakteriellen Gemeinschaften eröffnet und besitzt das Potential eine Paradigmenwende im Verständnis biogeochemischer Prozesse herbeizuführen. Auch für die anwendungsorientierte Forschung war diese Entdeckung von grossem Interesse, mit Visionen von Nanodrähten als funktionelle Bausteinen in Biosensoren und anderen Geräten, sowie als zentrales Element zur Steigerung der Energieproduktion in mikrobiellen Brennstoffzellen. Allerdings ist trotz dieses breiten Interesses und der potentiellen Relevanz von bakteriellen Nanodrähten anzumerken, dass bis zu dieser Studie noch vollkommen ungeklärt war, (1) ob Pili elektrische Ladungen überhaupt entlang ihrer Länge transportieren können, da alle bisherigen Untersuchungen nur Analysen durch die Breite der Pili durchgeführt haben, (2) was die biologischen Mechanismen, die zu dem Ladungstransport beitragen sind und (3) was die physikalische Grundlage des Ladungstransports durch bakterielle Pili ist. Die Analysen dieser Arbeit ergaben, dass der primäre Mechanismus des Elektronentransports durch bakterielle Pili auf Tunnelmechanismen zurückzuführen ist. Dieser Mechanismus ermöglicht nur die Übertragung von Elektronen über extrem kurze Distanzen (1-3nm) und schließt somit Elektronenlangstreckentransporte über µm bis cm Distanzen, die in bakteriellen Biofilmen benötigt werden, selbstverständlich aus. Weiterhin demonstriert die vorliegende Arbeit, dass die bisher beobachtete hohe Leitfähigkeit von bakteriellen Pili durch Fehlinterpretationen aufgrund fehlender Distanzmessungen sowie auf Artefakten basiert. Basierend auf diesen Befunden kann eindeutig gesagt werden, dass bakterielle Pili nicht als Nanodrähte zu bezeichnen sind und vermutlich in Biofilmen vorrangig eine eher mechanische als metabolische Rolle spielen. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind insbesondere für die weitere Ausrichtung der mikrobiellen Brennstoffzell-Forschung, sowie für die Analyse biogeochemischer Prozesse von höchster Relevanz. Wie anhand der rapide angestiegenen Publikationen zum Thema bakterieller Nanodrähte zu verfolgen ist, wurde ein erheblicher Fokus in der mikrobiellen Brennstoffzell-Forschung, aber auch bei der Erforschung von Interaktionen von mikrobiellen Gemeinschaften auf die Eruiering der metabolischen Rolle dieser Pili gelegt. Im Licht dieser Arbeit ist es notwendig, die Rolle von Pili neu zu bewerten. Weiterhin muss die zukünftige Forschung andere Mechanismen für den möglichen Langstreckentransport von Elektronen ins Auge fassen.
Publications
- (2009) Gene Classification and Quantitative Analysis of Gene Regulation in Bacteria using Single Cell Atomic Force Microscopy and Single Molecule Force Spectroscopy, in Single Cell Analysis, Wiley 19-37
Ros, R. and Hansmeier, N.
- (2010). Comprehensive proteome profiling of the Fe(III)-reducing myxobacterium Anaeromyxobacter dehalogenans 2CP-C during growth with fumarate and ferric citrate. Proteomics 10, 1673-84
Chao, T.-C, Kalinowski, J., Nyalwidhe, J., Hansmeier, N.
