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Mikroorganismen klauen sich einen Stoffwechselweg zusammen

Viele Mikroorganismen leben im hinterletzten Winkel dieser Welt, wo extreme Hitze, Kälte oder Salzstress herrschen. Sie bekommen oft nur niedermolekulare Kohlenstoffverbindungen „zu fressen“. Wie machen sie daraus komplexere Moleküle, die fürs Überleben unabdingbar sind? Dr. Ivan Berg und seine Arbeitsgruppe von der Universität Freiburg berichten im renommierten Fachjournal Science von einem ganz neuen Weg bei Mikroorganismen aus dem Toten Meer, mit dem diese Aminosäurevorläufer herstellen können. Eine Entdeckung, die auch ein interessantes Licht auf die Werkstatt der Evolution wirft: So ganz von alleine kamen die Mikroben auf den neuen Trick nicht.

Dr. Ivan Berg vor einem Tank, in dem Mikroorganismen gezüchtet werden können. © Dr. Ivan Berg

Energiegewinnung, Biosynthese von Aminosäuren, Aufbau von Kohlenhydraten – alle diese Prozesse sind für das Leben auf unserem Planeten unentbehrlich. Vor allem Mikroorganismen haben im Laufe der Evolution ganz unterschiedliche Wege gefunden, um die Bedingungen in ihrer jeweiligen oft extremen Umwelt biochemisch auszunutzen. Dr. Ivan Berg und seine Arbeitsgruppe von der Abteilung für Mikrobiologie am Institut für Biologie II der Universität Freiburg suchen nach unbekannten Stoffwechselwegen bei den mikroskopischen Lebensformen unserer Erde. „Mich interessiert dabei zum Beispiel, wie die Organismen aus kleinen Kohlenstoffverbindungen komplexere machen, die dann für die vielen Aufbauprozesse in einer Zelle zur Verfügung stehen“, sagt der Biochemiker Berg. Als eine Fundgrube erwies sich im letzten Jahr eine Mikrobe aus dem Reich der Archaeen, den ältesten Organismen der Erde. Das in dem Extremlebensraum des Toten Meers lebende Haloarcula marismortui beherrscht eine bisher unbekannte Strategie, das aus zwei Kohlenstoffatomen aufgebaute Acetat (das Salz der Essigsäure) zu einem vieratomigen Molekül weiterzuverarbeiten – und damit für die Biosynthese von Aminosäuren nutzbar zu machen.

Eine dritte Variante

Acetat stellt in seiner biologisch aktiven Form als Acetyl-Coenzym-A einen molekularen Knotenpunkt im Netz der zellulären Stoffkreisläufe dar. Das Molekül ist sowohl ein Ausgangsstoff für den Aufbau von Fettsäuren und damit für die Energiespeicherung als auch für die Energiegewinnung. Es dient indirekt auch zum Aufbau von Aminosäuren und ist damit elementar für die Synthese von Proteinen. Mikroorganismen, die unter den unwirtlichen Bedingungen des Toten Meers leben, können Aminosäuren oft nicht direkt mit der Nahrung aufnehmen. Sie müssen sie aus niedermolekularen Verbindungen herstellen. Aminosäuren können aber nur aus Molekülen wie Malat oder Succinat gebildet werden, weil diese ein Kohlenstoffgerüst aus vier Atomen besitzen. Um Acetat direkt zu verarbeiten, fehlt vielen Organismen die Enzymausstattung. „Das Problem für die Mikroben lautet also: Wie mache ich aus einem C2-Molekül ein C4-Molekül?“, sagt Berg. Bisher kannten Mikrobiologen zwei Möglichkeiten: den Glyoxylatzyklus und den Ethylmalonyl-Coenzym-A-Weg. Bei Haloarcula marismortui hat sich offenbar eine dritte Variante entwickelt.

Wie sucht man gezielt nach einem neuen Stoffwechselweg? Berg und sein Team haben den Mikroorganismus Haloarcula marismortui ausgewählt, weil bekannt war, dass er in Medien mit Acetat als einziger Nahrungsquelle wachsen kann. Erste Untersuchungen ergaben, dass ihm die Enzymausstattung für die zwei bisher bekannten Stoffwechselwege fehlt. Damit war klar, dass der Organismus über eine neue Möglichkeit verfügt, aus Acetat Aminosäuren herzustellen. Mithilfe der Methoden der sogenannten Proteomics untersuchten die Mikrobiologen um Berg deshalb, welche Proteine in einer Zelle von Haloarcula vermehrt produziert werden, wenn diese mit Acetat gezüchtet wird. Als Vergleichsgruppe dienten Zellen, die in einem Medium mit Succinat wachsen durften, das bereits aus vier Kohlenstoffatomen aufgebaut ist und aus dem Aminosäuren direkt hergestellt werden können. Berg und Co. fanden tatsächlich einige Eiweiße, die hochreguliert werden, wenn Acetat die einzige Nahrungsquelle ist. Diese Enzyme mussten etwas mit dem Schritt von C2 zu C4 zu tun haben. Und weil ihre Funktionen bisher unbekannt waren, musste es sich hierbei um eine im Zusammenhang mit dem Acetat-Umbau grundsätzlich neue chemische Reaktionskette handeln.

Kreativer Ideenklau

Der von Dr. Ivan Berg und seiner Gruppe entdeckte Methylaspartat-Zyklus, ausgehend von Acetyl-Coenzym A. Die drei aufgeklärten Reaktionsschritte von Glutamat bis Mesaconyl-Coenzym A sind hervorgehoben. © Dr. Ivan Berg

Vergleiche der Gensequenz mit Genen von anderen Organismen ergaben Ähnlichkeiten zu bereits bekannten Enzymen. Obwohl die Funktionen der neuen Proteine unbekannt waren, haben sie dennoch Verwandte, und aufgrund dieser Verwandtschaft konnten Berg und seine Mitarbeiter auch die Rolle der Proteine im neuen Stoffwechselweg aufklären. Es ergibt sich eine Folge von drei Reaktionen, in denen ein Glutamat-Molekül in das Molekül Mesaconyl-Coenzym-A überführt wird, in eine Form also, die letztendlich zu Succinat weiter verarbeitet werden kann. Diese Reaktionskette ist gewissermaßen ein Modul, das in den gesamten Stoffkreislauf eingepasst ist, in dem zwei Acetatmoleküle über Glutamat zu Succinat und damit zu einem Vorläufer von Aminosäuren umgebildet werden können. Berg und seine Mitarbeiter kamen zu dem Schluss, dass die Schritte der Umsetzung von Acetat zu Glutamat wie auch die die restlichen Teile des Stoffkreislaufs aus bereits bekannten Stoffwechselwegen stammen. Das Neue ist also eine Kombination von bekannten Schritten mit einer neuen Funktion als Ergebnis.

Wie aber entstand in den Mikroorganismen der gesamte Reaktionskreislauf, der sich aus verschiedenen anderen Stoffwechselwegen zusammensetzt? Berg und sein Team verglichen die Gene der entsprechenden Enzyme mit den Genen aus anderen bekannten Organismen. Es stellte sich heraus, dass verschiedene Teile des Stoffwechselzyklus in Bakterien zu finden sind, die von Haloarcula stammesgeschichtlich sehr weit entfernt sind. "Haloarcula marismortui hat sich verschiedene Teile des Zyklus einfach bei unterschiedlichen Bakterien zusammengeklaut", sagt Berg. Mikroorganismen verfügen über die Fähigkeit, frei schwimmende DNA aus der Umgebung aufzunehmen. Offenbar haben sie während ihrer Evolution zufällig die richtigen Gene aufgenommen und in ihr eigenes Erbgut eingebaut. Sie waren plötzlich fähig, aus Acetat Aminosäuren herzustellen und hatten damit im unwirtlichen Toten Meer einen Überlebensvorteil. "Die Evolution ist wie ein Bastler, der sich dessen bedient, was verfügbar ist, und daraus etwas Funktionierendes macht", sagt Berg. Prinzip LEGO gewissermaßen. Oder in der Sprache von Evolutionsbiologen: "evolutionary tinkering". In der Evolution ist kein planvolles Vorgehen am Werk, sondern ein zufälliges Kombinieren von Bauteilen, die schon vorhanden sind.

Auf zum neuen Lebensräumen?

Insgesamt vier Mitarbeiter von der Abteilung für Mikrobiologie beteiligten sich bisher an Bergs Projekten. Die Forscher interessieren sich für verschiedene Aspekte von bakteriellen Stoffwechselwegen, zum Beispiel auch neue Wege der Fixierung von CO2 in organisches Material. Hierzu untersuchen sie unterschiedliche Arten von Mikroorganismen aus verschiedenen Lebensräumen. Im Frühling diesen Jahres wird der Lehrstuhlinhaber für Mikrobiologie Prof. Dr. Georg Fuchs emeritiert. Berg hat bisher keine eigene Gruppe aufgebaut, das möchte er jetzt nachholen. Gerne würde er in Freiburg bleiben. Aber er ist auch offen für neue Lebensräume.  

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/mikroorganismen-klauen-sich-einen-stoffwechselweg-zusammen