Forschungsthemen
Hydrothermale Quellen sind optimale Modell-Biotope, um mikrobielle Studien zu betreiben, weil diese Habitate eine Vielzahl von moderaten bis extremen Bedingungen vereinen:
Das Leben in hydrothermalen Tiefseequellen basiert auf autochthoner Primärproduktion. Der autochthone Biomasseaufbau wird durch die biologische Oxidation von reduzierten anorganischen Substraten, wie Wasserstoff, reduzierte Schwefelkomponenten oder Metalle, ermöglicht. Die Mikroorganismen, die diese Prozesse betreiben werden durch heiße, reduzierte hydrothermale Fluide, die aus dem Erdinneren aufsteigen, mit diesen Substraten versorgt. Während des Fluidauftritts werden die reduzierten Fluide mit kaltem, sauerstoffreichem Umgebungswasser vermischt. Diese Vermischung sorgt für die Ausbildung thermischer und chemischer Gradienten. Demzufolge sind hydrothermal beeinflusste Habitate durch stark variierende thermische und chemische Parameter, die von extrem heiß (400°C) bis kalt (die Umgebungstemperatur in der Tiefsee beträgt etwa 4°C) sowie von reduziert bis voll oxisch (Sauerstoffanwesenheit) gekennzeichnet. Infolgedessen ist zu erwarten, dass Organismen, die in diesen Habitaten leben, eine enzymatische Ausstattung besitzen, die an die lokalen extremen Bedingungen angepasst sind.
Im Rahmen unserer Forschung mit Mikroorganismen und ihren Stoffwechselwegen aus extremen Habitaten beschäftigen wir uns mit zwei Hauptthemen: Der eine Bereich beschäftigt sich mit ökologischen Fragestellungen rundum Bio-Geo-Schnittstellen bzw. Bio-Geo-Interaktionen, der andere beschäftigt sich mit der industriellen Anwendung neuartiger Enzyme aus diesen Habitaten.
Bio-Geo-Schnittstellen
Eines unserer Hauptziele ist es, ein verbessertes Verständnis darüber zu erlangen, wie abiotische Variationen aber auch biologische Interaktionen die mikrobielle Diversität, die mikrobielle Aktivität und die metabolischen Strategien beeinflussen. Zurzeit fokussieren wir uns darauf wie Wasserstoff (H2)- und Sauerstoff (O2)-Verfügbarkeit Einfluss auf die wasserstoffoxidierende Diversität, auf die Wasserstoffumsatzraten sowie die Autotrophie (CO2 Fixierung/Biomasseaufbau) nehmen.
Industrielle Anwendung
Im Rahmen der ökologischen Fragestellungen suchen und charakterisieren wir neuartige Enzyme mit bestimmten Funktionen. Hierbei liegt unser Fokus auf [NiFe] Hydrogenase (katalysieren H2 ↔ 2H+ + 2e–) und Kohlenmonoxid-Dehydrogenasen (CODH) (katalysieren CO + H2O + A ↔ CO2 + AH2). Diese Enzyme sind auch interessant, weil sie in industriellen Prozessen benötigt werden. Wenn beispielsweise Hydrogenasen auf Oberflächen fixiert werden, können sie für die Produktion von Wasserstoff (H2) als Energieträger (Energiespeicherung in elektrochemischen Zellen) und/oder für die Oxidation von H2 als Energiequell (Brennstoffzelle) genutzt werden.
CODH kann Kohlendioxid (CO2) zu Kohlenmonoxid (CO) reduzieren. Zum einen kann hierdurch die CO2 Konzentration in Abgasen vermindert werden. Zum anderen hat CO einen hohen Treibstoffwert und wird auch als Substrat für verschiedene synthetische Reaktionen verwendet.
Aktuelle Projekte
1. Diversität und Funktionalität mikrobieller
Gemeinschaften aus hydrothermalen Tiefseequellen
2. Entdeckung und Charakterisierung CO2
reduzierender Enzyme aus hydrothermalen Tiefseehabitaten
3. Entdeckung und Charakterisierung von Hydrogenasen
4. Anorganische und enzym-gekoppelte Systeme zum Elektronentransfer