Von den allermeisten Bakterien sowie Tieren, Pflanzen und Pilzen – den Eukaryoten – ist schon lange bekannt, wie sie auf zellulärer Ebene Energie gewinnen und verbrauchen. Doch auf der Erde gibt es noch eine dritte Großgruppe der Lebensformen: die Archaeen. Diese einzelligen Mikroorganismen stellen eine Zwischenstufe in der evolutionären Entwicklung des Lebens dar und damit ein Bindeglied zwischen den Bakterien und Eukaryoten wie dem Menschen. Archaeen existieren seit mehr als zwei Milliarden Jahren in den unterschiedlichsten Lebensräumen und können selbst in extremen Umgebungen wie heißen Quellen, Ölreserven oder tief unter dem Meeresboden überleben. Dort leben sie unter anderem von Wasserstoff. Wie den Archaeen das gelingt, war bislang jedoch unklar.
Wie nutzen Archaeen Wasserstoff?
Nun hat ein Forschungsteam um Chris Greening von der Monash University in Melbourne erstmals die molekularen Stoffwechselvorgänge innerhalb dieser winzigen Wesen genauer unter die Lupe genommen. Dafür analysierten die Biologen die Genome von tausenden Archaeen unterschiedlicher Herkunft und suchten darin nach Genen für Enzyme, die Wasserstoff aus verschiedenen molekularen Verbindungen gewinnen können. In 130 Fällen wurden sie fündig. Fünf der so entdeckten Enzyme stellten die Forschenden anschließend in Modellorganismen im Labor her, um deren Eigenschaften genauer zu untersuchen.
Dabei zeigte sich überraschend, dass einige der Archaeen-Enzyme sogenannte [FeFe]-Hydrogenasen sind. Von dieser eisenhaltigen Enzymsorte dachte man bislang, dass sie nur in Bakterien und Eukaryoten vorkommt. Die Daten belegen nun jedoch, dass auch Archaeen über diese Enzyme verfügen. Wie Greening und seine Kollegen feststellten, kommen die [FeFe]-Hydrogenasen dort sogar in bemerkenswert unterschiedlichen Ausführungen vor: von sehr klein und simpel bis sehr groß und komplex. Manche bilden sogar riesige Hybridkomplexe mit nickelhaltigen [NiFe]-Hydrogenasen. Allen Archaeen-Hydrogenasen gemein ist jedoch, dass sie molekularen Wasserstoff (H2) verbrauchen oder herstellen und dabei Energie freisetzen, die die Archaeen für ihren Zellstoffwechsel nutzen können.
Die Ergebnisse verändern nun grundlegend den Blick der Biologen auf Archaeen. Sie erklären, warum die Winzlinge selbst extreme Lebensbedingungen tolerieren können, an denen keine andere Energiequelle und kein Sauerstoff vorhanden ist. Zugleich geben sie neue Hinweise auf die Entwicklung des Lebens vor Milliarden Jahren. „Unsere Entdeckung bringt uns dem Verständnis einen Schritt näher, wie dieser entscheidende Prozess alle Eukaryoten, einschließlich des Menschen, hervorgebracht hat“, sagt Co-Autor Pok Man „Bob“ Leung von der Monash University.
