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Extremophile Bakterien: Unsere Ururahnen

Thermophile und hyperthermophile Archaeen und Bakterien geben uns eine Vorstellung, unter welchen Bedingungen sich Organismen vor mindestens 3,5 Milliarden Jahren entwickelt hatten. Ob die ersten Zellen in heißen vulkanischen Quellen an der Oberfläche oder an Hydrothermalschloten im Ozean entstanden sind, ist umstritten.

O dass wir unsere Ururahnen wären.
Ein Klümpchen Schleim in einem warmen Moor.
Leben und Tod, Befruchten und Gebären
glitte aus unseren stummen Säften vor.
                                                  Gottfried Benn
Heiße Vulkanquelle bei Sasso Pisano, Toskana © EJ

Wer anschaulich erleben will, unter welchen extremen Bedingungen Leben gedeihen kann, muss von Deutschland aus ziemlich weit fahren. Der Yellowstone Nationalpark in den Rocky Mountains oder die isländischen und neuseeländischen Geysir-Landschaften sind wohl die bekanntesten Orte dafür. Aber schon in Italien - bei Sasso Pisano in der Toskana oder am Solfatara bei Neapel - kann man es beobachten: An den Rändern von unheimlich blubbernden und penetrant nach faulen Eiern stinkenden Schlamm-und Schwefelquellen findet man gelb, rostrot und giftgrün schillernde Krusten. Selbst durch die Sohlen von Wanderstiefeln hindurch fühlt man den Boden so heiß, dass man sich fast die Füße verbrennt, wenn man zu nahe herantritt.

Thermus aquaticus und Milliarden Jahre alte Ökosysteme

So auffällig diese Krusten sind, dauerte es doch bis in die späten 1960er-Jahre, bevor Biologen sie genauer untersuchten und feststellten, dass sie von lebenden Organismen gebildet werden. Vorher hatte man sie für rein mineralische Ablagerungen gehalten – man konnte sich einfach nicht vorstellen, dass sie Leben beherbergen könnten. Im Sommer 1971 hatte mir ein junger Mikrobiologe, der als Ranger im Yellowstone Park arbeitete, mit großer Begeisterung die schleimigen bunten Ablagerungen von Mikroorganismen gezeigt, die sich an den Rändern eines dampfenden Pools in der Nähe des berühmten Geysirs „Old Faithful“ gebildet hatten. Ein paar Jahre früher hatten er und sein Doktorvater Thomas D. Brock von der Indiana University in Bloomington, damit begonnen, diese Mikroben zu isolieren und zu charakterisieren. 1969 erfolgte die erste Publikation über ein solches „thermophiles" Bakterium; Brock nannte es Thermus aquaticus. Zwanzig Jahre später erlangte es Weltruhm: Aus Taq, wie Thermus aquaticus von den Molekularbiologen genannt wird, wurde die Taq-Polymerase gewonnen, eine hitzebeständige DNA-Polymerase, welche die Grundlage für die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) bildet, für die Kary Mullis 1993 den Nobel-Preis erhielt.

Krusten und Solfataren an einem See im Yellowstone Nationalpark © EJ

Individuelle Aufklärung kann man heute im Yellowstone Park kaum mehr erwarten. Die Ranger haben vollauf zu tun, die Massen von Touristen hinter den Absperrungen in angemessenem Abstand von den heißen Quellen zu halten. Als ich vor einigen Jahren wieder dort war, ermahnte außerdem ein Schild, das „fragile Ökosystem" dieser vulkanischen Krusten nicht zu verletzen. Darüber kann man schmunzeln, denn heute sind die Wissenschaftler überzeugt, dass es diese Ökosysteme seit 3,5 Milliarden Jahren oder länger auf der Erde gibt, und sie werden sicher den Menschen überdauern.

Viele Mikroben-Arten wurden inzwischen beschrieben, die an die unterschiedlichen Bedingungen in den heißen vulkanischen Gewässern angepasst sind. Oft sind sie von einer dicken, schützenden Schleimschicht umgeben. Makroskopisch kann man sie erkennen, weil sie sich zu Filamenten, Klumpen oder Schichten zusammenlagern. Die orangenen Bereiche mancher Pools könnten auf Karotin-Pigmente von Taq hindeuten, der es am liebsten 70 °C warm hat, während sich in der kochenden Mitte Pyrococcus furiosus wohlfühlt, ein echter „hyperthermophiler" Organismus. Manche Mikroben nutzen die hohen Temperaturen, um aus Kohlendioxid und Wasserstoff Wasser und Methan herzustellen. Rote Farben deuten auf Mikroorganismen, die gelöste Eisenionen (Fe2+) zu Fe3+ (Rost) oxidieren, während die gelben Schwefelablagerungen von Sulfat-reduzierenden Bakterien stammen können. Umgekehrt lebt Sulfolobus solfataricus (genannt nach dem Vulkan bei Neapel) davon, den elementaren Schwefel wieder zu Sulfat oder Schwefelsäure zu oxidieren, wobei Kohlendioxid als einzige Kohlenstoffquelle dient. Über den Schwefelstoffwechsel von Acidianus ambivalens, einem hyperthermophilen und extrem acidophilen (säureliebenden) Verwandten von Sulfolobus, hat Karin Lauber von der Technischen Universität Darmstadt promoviert.

Eine eigene Domäne des Lebens

Der Stammbaum des Lebens mit den drei Domänen Bacteria, Archaea und Eukaryota © C. Woese
Der amerikanische Mikrobiologe Carl Woese wies nach, dass sich viele dieser an extreme Bedingungen angepassten Mikroorganismen in ihren molekularen Eigenschaften so fundamental von der großen Mehrheit der bekannten Bakterien unterscheiden, dass er für sie ein eigenes Organismenreich, die Archaea (anfangs Archaebacteria genannt) aufstellte - gleichberechtigt neben die eigentlichen Bacteria (oder Eubacteria) und die Eukaryota oder Eukarya, die Organismen mit echtem Zellkern. Diese höchsten systematischen Kategorien des Lebens werden als Domänen bezeichnet; die uns vertrauten Reiche der Tiere, Pflanzen und Pilze sind darin nur kleine Seitenzweige der Domäne Eukaryota. Von den Bakterien unterscheiden sich die Archaeen unter anderem im Bau ihrer Ribosomen und den RNA-Sequenzen und in der molekularen Zusammensetzung der Zellmembranen (Ether-Brücken statt Ester-Verbindungen). Sie leben nicht nur in heißen vulkanischen Quellen, sondern auch in fast gesättigten Salzlaugen oder in extrem sauren oder alkalischen Milieus. Woese nannte sie Archaeen (von griechisch „archaios“ – uralt), weil er glaubte, dass es sich um eine besonders alte Organismengruppe handelt, die an Bedingungen angepasst ist, wie sie in den Urzeiten unserer Erde geherrscht hatten.

Neuere Untersuchungen haben dieses Bild bestätigt. In dem auf Genomanalysen basierenden Stammbaum des Lebens, den die Structural and Computational Forschungsgruppe am Europäischen Molekularbiologischen Laboratorium (EMBL) in Heidelberg publiziert hatte (s. auch "Mit Genomanalysen zu einem neuen Stammbaum des Lebens"), stellen die Archaeen eine gut abgegrenzte eigenständige Gruppe dar. Mehr noch, sie sind offensichtlich mit den Eukaryoten (und damit mit uns) näher verwandt als die Bakterien. Hinweise darauf hatte es schon vorher gegeben. So zeigen die „signal recognition particles" (SRPs, das sind Ribonucleoproteine, die bei allen Organismen vorkommen) der Archaeen eine engere Verwandtschaft mit den SRPs von Eukaryoten auf als mit denen von Bakterien, wie unter anderem Irmgard Sinning am EMBL (heute Professorin am Biochemie-Zentrum Heidelberg) mit Untersuchungen an Sulfolobus solfataricus nachwies. Ähnlich ist es mit dem „elongation factor", einem Bestandteil des Proteinbiosynthese-Apparates, und mit weiteren Komponenten, die zu den Grundbausteinen aller Lebewesen gehören. Allerdings muss betont werden, dass die Ähnlichkeit mit Archaeen nur für die eigentliche Eukaryotenzelle und ihre Kern-DNA gilt, nicht aber für ihre Mitochondrien. Die sind ganz offensichtlich durch endosymbiotische Aufnahme von echten Bakterienzellen in die Ur-Eukaryotenzelle (die vielleicht auf eine Archaeenzelle zurückgeht) entstanden.

Extremophile kommen nicht nur bei Archaeen, sondern auch bei Bakterien vor. Das bekannteste Beispiel ist Thermus aquaticus. Nach Ansicht des britischen Evolutionsforschers Thomas Cavalier-Smith gehört Taq in eine Gruppe von Bakterien, die besonders ursprüngliche Merkmale aufweist. Er nennt sie Hadobacteria (nach der griechischen Unterwelt Hades), als Hinweis auf die unwirtlichen Vorzeiten der Erde, aus denen diese Formen bis zu uns gekommen sind. Die früheste Phase unseres Planeten, von seiner Entstehung vor 4,55 Milliarden Jahren bis vor etwa 3,9 Milliarden Jahren, wird heute oft als Hadaikum bezeichnet.

Schwarze Raucher, Weiße Raucher

Schwarzer Raucher in 2.000 Meter Tiefe am Mittelatlantischen Rücken © Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR

Als Charles Darwin über die Entstehung des Lebens nachdachte, stellte er sich einen warmen Gezeitentümpel am Meeresstrand unter einer gleißenden Sonne vor, in der die entscheidenden Evolutionsschritte stattfanden. Darauf bezieht sich auch Gottfried Benn in seinem Gedicht. Heute glauben wir zu wissen, dass sich die Anfänge in einem brodelnden Inferno abspielten - unter ständigen Meteoriten-Bombardements, extremen Temperaturen, intensiver UV-Strahlung und einer dünnen, mit Methan, Ammoniak und anderen für uns giftigen Gasen angereicherten Atmosphäre.

Seit man die sogenannten Schwarzen Raucher („Black Smoker") in den Mittelozeanischen Rücken entdeckt hatte, favorisierten viele Forscher diese Geysire der Tiefsee als Orte der Lebensentstehung. Dort waren die organischen Strukturen und Zellen vor der tödlichen ionisierenden Strahlung an der Erdoberfläche geschützt. Schwarze Raucher sind Hydrothermalquellen, die überhitztes Wasser aus dem Erdinneren, das mit Schwefel, Eisen und anderen Mineralien angereichert ist, in die Dunkelheit und Kälte am Meeresboden ausstoßen. Anfang 2012 wurden die tiefsten Unterwasser-Geysire im Kaimangraben 5.000 Meter unter der Wasseroberfläche der Karibik entdeckt. Sie schleudern 450 °C heißes Wasser, das unter dem enormen Druck von 500 Bar flüssig bleibt, über einen Kilometer (!) hoch ins umgebende Meerwasser. An den Schwarzen Rauchern hat sich ein reiches, bizarres und völlig autonomes Ökosystem entwickelt, mit farblosen Muscheln, Schnecken, Krebstieren, Fischen und anderem. Am auffälligsten sind Spaghetti-ähnliche, drei Meter lange und 4 Zentimeter dicke Würmer mit blutrotem Vorderende (Riftia pachyptila). Die Würmer haben keinen Darm, sondern ernähren sich ausschließlich von chemosymbiotischen Mikroorganismen.

„Strain 121“, Temperatur-Rekordhalter des Lebens. Rechts im Negative staining des elektronenmikroskopischen Bildes sind von der Archaee gebildete Eisenablagerungen. © K. Kashefi, University of Massachusetts, Amherst

Grundlage der Ökosysteme an den Hydrothermal-Schloten sind extremophile Archaeen und Bakterien, die ihre Energie aus den gelösten Mineralien beziehen. Vor einigen Jahren wurde eine Eisen-reduzierende Archaee von einem Black Smoker im Nordostpazifik beschrieben, die noch bei 121 °C gedieh und den bis dahin gehaltenen Rekord für die Temperaturobergrenze des Lebens weit überbot. Als man im Labor die Temperatur auf 130 °C erhöhte, stellte die vorläufig als „Strain 121" bezeichnete Mikrobe das Wachstum ein, sie ließ sich aber in kochendem Meerwasser „reanimieren".

Neuerdings argwöhnen manche Wissenschaftler, ob die extreme Hyperthermophilie von Mikroorganismen nicht eher eine sekundäre Anpassung anstatt eines Überbleibsels aus der Frühzeit unseres Planeten sei. Ihrer Ansicht nach hätte sich das Leben besser an sogenannten Weißen Rauchern („White Smoker") entwickeln können. Das sind weniger heiße Hydrothermalquellen am Meeresboden, die Sulfat-und Silikat-reiches Wasser ausstoßen. Auch an den Weißen Rauchern, von denen ständig neue entdeckt werden, hat sich ein reiches Ökosystem auf der Grundlage von chemolithotrophen Bakterien und Archaeen entwickelt.

Die ältesten Lebensspuren (Steranmoleküle mit einem Isotopenverhältnis des Kohlenstoffs, wie es nach heutiger Kenntnis nur von lebenden Organismen gebildet wird), hat man bereits in den ältesten bekannten Gesteinen gefunden, dem 3,8 Milliarden Jahre alten Isua-Serpentinit aus Grönland. Dieses Gestein enthält kohlenstoffreiche, alkalische Verbindungen, wie sie in hydrothermalen ozeanischen Quellen bei Temperaturen zwischen 100 und 300 °C entstehen. Ob Schwarze oder Weiße Raucher, ob untermeerische oder oberirdische Geysire: Einig sind sich die Forscher darin, dass die ersten Lebewesen auf der Erde - unsere Ururahnen - Eigenschaften haben mussten, wie wir sie heute noch bei extremophilen Archaeen und Bakterien finden.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Eine DNA-Polymerase ist ein Enzym, das die Synthese von DNA nach einer DNA-Vorlage katalysiert (z. B. bei der Replikation). Sie wird vielfach in der Gentechnik zur In-vitro-Synthese von DNA-Stücken verwendet.
  • Eukaryonten sind Organismen, deren Zellen einen Zellkern und Organellen besitzen. Zu den Eukaryonten gehören Protozoen (Einzeller), Algen, Pilze, Pflanzen und Tiere (einschließlich Mensch).
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Die PCR oder Polymerase-Kettenreaktion ist eine molekularbiologische Methode, mit der kurze DNA-Abschnitte auf einfache Weise vervielfältigt werden. Man benötigt dazu lediglich die DNA-Vorlage, ein Enzym namens DNA-Polymerase, das die Vervielfältigung katalysiert, Ansatzstücke für die Polymerase, die sog. Primer, und die DNA-Bausteine, die sog. Desoxynukleosidtriphosphate. Gesteuert wird die Vervielfältigung über mehrere Zyklen von Temperaturerhöhungen und -senkungen.
  • Die Proteinbiosynthese ist die zelluläre Synthese von Proteinen. Sie besteht aus zwei Schritten: Die Transkription, d.h. das Anfertigen einer mRNA-Kopie des jeweiligen DNA-Abschnitts und der Translation, d.h. das Übersetzen der Basenabfolge auf der RNA in Aminosäuresequenzen des Proteins.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Das Ribosom ist Protein-Nukleinsäurekomplex zur Proteinbiosynthese unter Verwendung von mRNA als Vorlage.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Symbiose im biologischen Kontext ist das Zusammenleben von zwei oder mehr verschiedenen Arten, das für alle vorteilhaft ist.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Demenz ist eine neuronale Erkrankung, bei der es zu einer fortschreitenden Einschränkung der Leistungsfähigkeit des Gehirns kommt. Betroffen sind vor allem das Kurzzeitgedächtnis, das Denkvermögen, die Sprache und die Motorik. Nur bei einigen Formen verändert sich auch die Persönlichkeitsstruktur.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Ein Mitochondrium ist ein von einer Doppelmembran umschlossenes Organell, das im Zellinneren der Eukaryonten vorkommt. Als "Kraftwerk der Zelle" dient es der Energiegewinnung, weshalb Zellen mit hohem Energiebedarf (z. B. Muskel- oder Nervenzellen) viele Mitochondrien enthalten.
  • Als Ökosystem wird das Zusammenleben zwischen den Lebewesen in ihrer Umwelt bezeichnet.
  • Als Target (engl.:Ziel) werden Biomoleküle bezeichnet, an die Wirkstoffe binden können. Targets können Rezeptoren, Enzyme oder Ionenkanäle sein. Die Interaktion zwischen Wirkstoff und Target löst eine Wirkstoff-Target-spezifische Reaktion aus. Die Identifikation eines Targets ist für die biomedizinische und pharmazeutische Forschung von großer Bedeutung. Erkenntnisse über spezifische Wechselwirkungen helfen grundlegende molekularbiologische Vorgänge zu verstehen und neue Angriffpunkte für Arzneimittel zu identifizieren.
  • Ein Stoff aus der Gruppe der Kohlenwasserstoffe und somit eine chemische Verbindung. Es ist geruchslos, farblos und brennbar. In der Industrie wird es oft als Heizgas verwendet.
  • Eine Proteindomäne ist ein konservierter, strukturell abgegrenzter Bereich innerhalb der Polypeptidkette eines Proteins, der eine bestimmte Faltstruktur aufweist und dadurch meist auch eine individuelle Funktion besitzt. Proteine besitzen häufig mehrerer solcher Domänen, die in ihrer Gesamtheit die spezifische Funktion des Proteins bestimmen.
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