Forschende der Goethe-Universität Frankfurt, der Universität Marburg und der Universität Stockholm haben in einer aktuellen Studie einen bislang unbekannten Mechanismus der Zellatmung aufgeklärt. Diese Erkenntnisse, die am 17. März 2025 in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurden, beleuchten einen Stoffwechselweg, der auf Bakterien basiert, die Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff zur Bildung von Essigsäure nutzen. Dies könnte nicht nur das Verständnis der frühen Lebensformen auf der Erde erweitern, sondern auch neue Wege im Kampf gegen den Klimawandel eröffnen.
Die Forschenden haben dabei festgestellt, dass die betreffenden Mikroben in sauerstofffreien Ökosystemen existieren und CO2 als Energieträger verwenden. Dies macht sie zu Hoffnungsträgern für einige der drängendsten Umweltprobleme unserer Zeit. Unter den Bedingungen der präkambrischen Zeit, als die Erdatmosphäre keinen Sauerstoff enthielt, könnte ein solches Atmungssystem eine faszinierende Sonderform der „Atmung“ dargestellt haben. In diesem Kontext gilt es hervorzuheben, dass Tiere und Pflanzen Sauerstoff einatmen, um ATP zu erzeugen, das für lebenswichtige biochemische Reaktionen benötigt wird.
Mechanismus der ATP-Produktion
Der Mechanismus zur ATP-Produktion aus den CO2- und Wasserstoffverbindungen war bis dato unklar. Die neue Studie zeigt, dass der Prozess der Essigsäureproduktion eng mit dem Rnf-Komplex verknüpft ist, einem Konglomerat aus verschiedenen Proteinen. Dieser komplexe Mechanismus wurde erst vor wenigen Jahren isoliert und enthüllt, dass bei der Reaktion von CO2 mit Wasserstoff Elektronen vom Wasserstoff auf das Kohlenstoff-Atom übertragen werden. Der Rnf-Komplex nimmt diese Elektronen auf und leitet sie weiter, was einen Elektronenfluss erzeugt, der Natrium-Ionen aus der Zelle pumpt und letztlich zur Produktion von ATP führt.
Die Struktur dieses Rnf-Komplexes wurde durch Kryo-Elektronenmikroskopie untersucht. Zudem zeigt eine molekulardynamische Simulation eine zentrale Rolle eines Clusters aus Eisen- und Schwefel-Atomen während dieses Prozesses. Diese Erkenntnisse könnten weitreichende Auswirkungen auf die Industrie haben, indem sie helfen könnten, CO2 aus Industrieabgasen zu entfernen und wertvolle Ausgangsstoffe für die chemische Industrie zu gewinnen. Ferner könnten sie auch Ansätze für neue Medikamente gegen Krankheitserreger eröffnen, die ein ähnliches Atmungsenzym nutzen.
Die Rolle der Atmung in biologischen Systemen
Die Atmung, die in biologischen Systemen als Gasaustausch zwischen Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2) definiert ist, beinhaltet zwei Hauptsysteme: das Herz-Kreislauf-System und das Atmungssystem. Der Herz-Kreislauf transportiert O2 von der Lunge zu den Geweben und CO2 von den Geweben zurück zur Lunge. Ein Ausfall eines dieser Systeme hat unmittelbar Auswirkungen auf das andere. Dabei spielen auch vier Teilfunktionen der Atmung eine elementare Rolle: die Ventilation, der pulmonale Gasaustausch, der Transport von O2 und CO2 im Blut sowie die Regulation der Atmung.
Die menschlichen Atemwege beginnen mit den Nasenlöchern und enden in den Alveolen, wo der eigentliche Gasaustausch stattfindet. Schätzungen zufolge gibt es etwa 300 Millionen Alveolen in unseren Lungen, die zusammen eine Gesamtoberfläche von ca. 70 m² bilden. Die Funktion der Lunge als Luftpumpe wird durch Zwerchfellbewegungen ermöglicht, die die Lunge bei der Inspiration erweitern und während der Exspiration wieder zusammenziehen.
Die Erkenntnisse über die Ur-Mikroben und deren Atmungsmechanismen erweitern nicht nur unser Wissen über die Evolution des Lebens auf der Erde, sondern können auch verwenden werden, um technologischen Fortschritt in der Luftreinhaltung und der Medizintechnik voranzutreiben. So geschieht Forschung, die auf frühere Lebensformen fokussiert ist, oft auch mit einem Blick in die Zukunft für das Überleben unserer heutigen Gesellschaft.
Mehr Details zu den Ergebnissen der Studie gibt es auf der Webseite der Goethe-Universität Frankfurt und weiteren wissenschaftlichen Artikeln, die sich mit der Atmung in biologischen Systemen beschäftigen, wie etwa auf NCBI.
