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Bakterien mit verchromter Hülle

An Schwermetallen trägt der Mensch heute schwer. Seit er Fabriken baut oder Autos lackiert, vergiftet er viele Böden und Gewässer - und damit viele Lebewesen inklusive sich selbst. Wissenschaftler versuchen, die anorganischen Chemikalien auf natürlichen Wegen aus dem Kreislauf zu entfernen oder sie zumindest unschädlich zu machen. Dr. Johannes Gescher und sein Team von der Mikrobiologie der Universität Freiburg haben einen Mikroorganismus entdeckt, der diese Aufgabe im Fall des giftigen Schwermetalls Chrom übernehmen könnte.

„Chrom steht in der EU an Platz drei“, sagt Gunnar Sturm, Diplomand im Labor des Nachwuchsgruppenleiters Dr. Johannes Gescher in der Abteilung für Mikrobiologie an der Universität Freiburg. Ein Grund zur Freude ist diese Bronzemedaille allerdings nicht. Chrom stellt für die Böden und Gewässer in Europa damit das drittschlimmste Problemkind unter den Schwermetallen dar. Gefährlich ist vor allem das sechswertige Ion Chrom(VI). Es ist stark wasserlöslich und wird von Lebewesen und dem Menschen leicht mit dem Trinkwasser oder mit der Nahrung aufgenommen. „In den Zellen wirkt es wie eine Art Klebstoff“, sagt Gescher. „Es verklebt DNA und Proteine und stört damit ihre Funktion.“ Außerdem reduziert das Enzym Chrom-(VI)-Reduktase in einer Zelle Chrom(VI) zu dem dreiwertigen Chrom(III). Das ist zwar nicht so wasserlöslich und damit auch weniger gefährlich. „Dabei entstehen aber reaktive Sauerstoffspezies, und die zerstören das Gewebe und schädigen das Erbgut zusätzlich“, sagt Sturm. Krebs kann eine der Folgen einer Chromvergiftung sein.

Der Dickhäuter unter den Bakterien

Leucobacter spec. im Elektronenmikroskop © AG Dr. Johannes Gescher

Schuld an den immer höheren Chrom-Konzentrationen in der Umwelt ist der Mensch. Das Schwermetall kommt zwar auch natürlich im Boden vor, aber die wirklich giftigen Mengen stammen zum Beispiel aus der Stahl verarbeitenden Industrie, aus Gerbereien oder von Lackresten. „In einem Großpraktikum, das wir für Studenten angeboten haben, stießen wir zufällig auf das Bakterium Leucobacter spec., das besonders viel Chrom verträgt“, sagt Gescher. „Dieser Mikroorganismus wächst noch bei den schier unvorstellbaren Konzentrationen von rund 16 Gramm Chrom pro Liter Wasser.“ Zum Vergleich: In der Erdkruste finden Wissenschaftler normalerweise rund 160 Mal kleinere Mengen des Schwermetalls. Das bekannte Bakterium Escherichia coli überlebt höchstens 150 Mal so niedrige Dosen. Leucobacter spec. muss Chrom(VI) irgendwie entgiften oder zumindest unschädlich machen. Könnte seine Strategie dem Menschen für die so genannte Bioremediation nützlich sein, also für die Wiederherstellung verseuchter Böden mit der Hilfe von biologischen Prozessen?

Gescher und sein Diplomand Sturm wissen inzwischen, warum ihr Bakterium so viel von dem Schwermetall verträgt. Schon auf lichtmikroskopischen Aufnahmen kann man es sehen: Bei hohen Chromkonzentrationen bildet sich eine schleimige Schicht um die einzelnen Bakterienzellen, sie verklumpen dadurch zu Aggregaten. Die Schleimschicht besteht aus langkettigen und verzweigten Zuckermolekülen, den so genannten Polysacchariden. Diese bei Leucobacter spec. besonders dicke Hülle dient als Klebfalle für eindringende Chrom(VI)-Ionen, sie bleiben darin haften. Das Bakterium hält sie sich also vom Leib. Nur geringe Mengen kommen in die einzelnen Zellen hinein, und diese können zusätzlich durch die Chrom(VI)-Reduktase reduziert und damit unlöslich gemacht werden.

Aggregatbildung im Elektronenmikroskop: Mit zunehmender Konzentration einer Chrom(VI)-Lösung (gelbe Skala) verklumpen Leucobacter-Zellen immer mehr zu einem Aggregat. © AG Dr. Johannes Gescher

Erbsubstanz als Giftstofffalle?

Interessanterweise stellten Gescher und seine Mitarbeiter fest, dass sich in der Klebschicht auch DNA-Moleküle befinden. Diese extrazelluläre Erbsubstanz geistert momentan durch viele Fachpublikationen. Niemand weiß, welche Funktion sie hat und wie genau sie in die Zuckermatrix hinausgelangt. Einige Wissenschaftler meinen, dass ein Teil der Bakterienzellen unter dem Einfluss des Chroms stirbt, aufplatzt und sein Erbgut in die Umgebung entlässt. „In einem Fluoreszenzmikroskop konnten wir aber nachweisen, dass in den Aggregaten nur lebende Zellen vorkommen“, sagt Gescher. Die extrazelluläre DNA könnten die Zellen einer anderen Hypothese zufolge sogar aktiv nach außen schleusen. „Auch DNA ist eine Art Kleber und fängt Chrom(VI)-Ionen ab“, sagt Gescher. „Außerdem hilft sie vermutlich, die Aggregate zusammenzuhalten.“ Gab Sturm das Erbgut spaltende Enzym DNAse zu den Aggregaten hinzu, dann lösten sich die einzelnen Zellen voneinander ab, der schleimige Schutzraum zerfiel.

Bisher ist noch unklar, welche Signalmechanismen dazu führen, dass die Schicht aus Polysacchariden und DNA gebildet wird. Gescher und seine Mitarbeiter wollen in Zukunft erst einmal herausfinden, in welcher chemischen Form Chrom im Inneren und in der Umgebung der Bakterienzellen vorliegt. Außerdem stellt sich ihnen die Frage, ob ihr Bakterium irgendwann einmal helfen kann, chromverschmutzte Böden und Gewässer zu reinigen. Sturm will erste Versuche noch während seiner Diplomarbeit machen. Dabei ist geplant, die Bakterien in eine Sandsäule einzubringen und Lösungen mit Chrom(VI) durchlaufen zu lassen. Wenn unten nur wenig von dem Schwermetall wieder raus läuft, dann hat der Mikroorganismus viel davon in seiner Schleimschicht behalten. „Dann müssen wir in einem zweiten Schritt prüfen, wie man diese verseuchte Schicht entfernen kann“, sagt Gescher. „Damit die Bakterien eine neue bilden können und immer wieder von neuem eingesetzt werden können.“

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