Neue Erkenntnisse zum bio-geochemischen Gold-Zyklus

Gold-Esel: Bakterien verdauen giftige Metalle und bilden dabei Gold

Für die meisten Lebewesen sind größere Mengen von Schwermetallen, wie Kupfer oder Gold, giftig. Nicht für das Bakterium Cupriavidus metallidurans: Es hat einen Weg gefunden, aus einem Schwermetall-Gemisch wertvolle Spurenelemente zu beziehen, ohne sich dabei selbst zu vergiften. Ein interessanter Nebeneffekt: Dabei bildet es winzige Goldnuggets. Welche molekularen Prozesse dabei in den Bakterien ablaufen, hat nun ein Forscherteam der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), der Technischen Universität München (TUM) und der australischen Universität Adelaide herausgefunden. Ihre Ergebnisse stellt die Gruppe in der renommierten Fachzeitschrift "Metallomics" der Royal Society of Chemistry vor.

Das Bakterium C. metallidurans bildet winzig kleine Gold-Nuggets. (Bild: American Society for Microbiology)

Das stäbchenförmige Bakterium C. metallidurans lebt vor allem in Böden, die mit zahlreichen Schwermetallen angereichert sind. Im Lauf der Zeit verwittern einige Mineralien im Boden und geben dabei giftige Schwermetalle und Wasserstoff an ihre Umgebung ab. "Wenn man von den giftigen Schwermetallen absieht, sind die Lebensbedingungen in diesen Böden aber nicht schlecht: Es gibt genügend Wasserstoff zur Energiespeicherung und nahezu keinerlei Konkurrenz. Will ein Organismus hier überleben, muss er jedoch eine Möglichkeit finden, sich gegen diese Gifte zu schützen", sagt Prof. Dr. Dietrich Nies, Professor für Mikrobiologie an der MLU. Gemeinsam mit seinem australischen Kollegen Prof. Dr. Frank Reith von der Universität Aderlaide konnte er bereits 2009 nachweisen, dass C. metallidurans auf biologischem Weg Gold ablagern kann. Welche genauen Prozesse dabei jedoch ablaufen und warum sie das tun, war bislang unbekannt. Dem sind die Forscher nun auf die Schliche gekommen.

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Gold gelangt auf demselben Weg wie Kupfer in das Innere der Bakterien. Kupfer ist für C. metallidurans einerseits ein lebenswichtiges Spurenelement, andererseits ist es in größeren Konzentrationen giftig. Kommen die Kupfer- und Goldteilchen in Berührung mit den Bakterien, laufen vielfältige chemische Prozesse ab. Dabei wird Kupfer, das eigentlich in einer schwerer aufnehmbaren Form vorliegt, in eine für das Bakterium wesentlich leichter aufnehmbare Form umgewandelt und so gelangt es in das Zellinnere. Das Gleiche passiert auch mit den Gold-Verbindungen.

Wenn sich im Inneren der Bakterie zu viel Kupfer befindet, wird es normalerweise durch das Enzym CupA wieder nach außen abgepumpt. "Wenn im Inneren der Bakterie aber zusätzlich Gold-Verbindungen vorhanden sind, kann das Enzym seine Wirkung nicht entfalten - die giftigen Kupfer- und Gold-Verbindungen bleiben im Zellinneren. In Kombination sind Kupfer und Gold sogar noch giftiger als alleine", sagt Dietrich Nies. Um dieses Problem zu lösen, aktivieren die Bakterien noch ein weiteres Enzym: CopA. Es kann die Kupfer- und Gold-Verbindungen wieder in die ursprünglichen, schwerer aufnehmbaren Formen umwandeln. "Dadurch gelangen weniger Kupfer- und Goldverbindungen in das Innere der Zelle, das Bakterium wird weniger vergiftet und das Kupfer-Abpump-Enzym kann ungehindert überschüssiges Kupfer entsorgen. Eine weitere Folge: Die schwerer aufnehmbaren Gold-Verbindungen verwandeln sich im Außengebiet der Zelle in wenige nanometerkleine, harmlose Goldnuggets", fasst Nies zusammen.

In der Natur spielt C. metallidurans eine zentrale Rolle bei der Bildung von sogenanntem sekundären Gold, das im Anschluss an die Verwitterung von primären, geologisch entstandenen alten Golderzen entsteht. Es wandelt die bei der Verwitterung entstandenen, giftigen Goldteilchen in harmlose Goldpartikel um und bildet so Goldnuggets.

Die deutsch-australische Forschergruppe liefert mit ihrer Publikation wichtige Erkenntnisse über die zweite Hälfte des bio-geochemischen Gold-Zyklus. Bei diesem wird primäres Gold-Metall durch andere Bakterien in mobile und giftige Gold-Verbindungen umgewandelt, die in der zweiten Hälfte des Zyklus wieder in sekundäres, metallisches Gold rückgewandelt werden. Wird der gesamte Zyklus verstanden, könnte Gold ohne - wie bisher üblich - giftige Quecksilberbindungen auch aus Erzen mit einem nur geringen Goldanteil gewonnen werden.

Zur Publikation in "Metallomics":
Bütof, L., N. Wiesemann, M. Herzberg, M. Altzschner, A. Holleitner, F. Reith and D. H. Nies (2018). "Synergetic gold-copper detoxification at the core of gold biomineralisation in Cupriavidus metallidurans." Metallomics: in press, doi: 10.1039/c7mt00312a

Die Forscher haben kürzlich eine weitere Studie über die sich verstärkende Giftwirkung von Gold und Kupfer in C. metallidurans veröffentlicht:
Wiesemann, N., L. Bütof, M. Herzberg, G. Hause, L. Berthold, B. Etschmann, J. Brugger, G. Martinéz-Criado, D. Dobritzsch, S. Baginski, F. Reith and D. H. Nies (2017). "Synergistic toxicity of copper and gold compounds in Cupriavidus metallidurans " Appl Environ Microbiol 83: e01679-17. doi: 10.1128/AEM.01679-17

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