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The heat is on – unbekannte Biochemie für den Extremfall

Das meiste, was gut zugänglich war, sei im Prinzip entdeckt – sagt Dr. Ivan Berg von der Universität Freiburg über die Untersuchungen von Stoffwechselwegen in Mikroorganismen. Der Forscher und sein Team interessieren sich für die Biochemie, die in Lebewesen an heißen Vulkanquellen oder im Toten Meer stattfindet. Ein Beispiel hierfür sind zwei von den Freiburgern entdeckte Stoffwechselwege in Organismen aus der Gruppe der sogenannten Crenarchaeota. Diese assimilieren Kohlendioxid aus der Umgebung. Die Organismen tun dies, ohne sich durch Zerfallsprodukte zu vergiften, die bei hohen Temperaturen entstehen. Was kann die Industrie von den Extremophilen lernen? Welche Vor- und Nachteile haben sie im Labor? Und was kann man mit ihrer Hilfe über die Evolution auf unserem Planeten erfahren?

Der Crenarchaeot Sulfolobus solfataricus unter dem Elektronenmikroskop © www.wikipedia.org

Pflanzen nehmen CO2 auf und wandeln dieses im sogenannten Calvin-Zyklus während der Photosynthese in Zucker um. Diesen Reaktionsweg können sich viele Mikroorganismen nicht leisten. Vor allem solche nicht, die in unwirtlichen Nischen leben, etwa an heißen Vulkanquellen, wo Temperaturen bis zu 120 Grad Celsius herrschen. Denn einige der Zwischenprodukte im Calvin-Zyklus zerfallen bei hohen Temperaturen zu giftigen Zwischenstufen, die eine Zelle töten können.

Die mehrere Milliarden Jahre alten einzelligen Organismen aus der Gruppe der Archaea, von denen viele an Extremstandorte angepasst sind, haben teilweise vollkommen andere biochemische Lösungen für die Probleme an den „hot spots“ dieser Welt anzubieten. „Ich bin auf der Suche nach neuen Stoffwechselwegen“, sagt Dr. Ivan Berg, selbstständiger Forschungsgruppenleiter in der Abteilung für Mikrobiologie am Institut für Biologie II der Universität Freiburg. „Mich interessiert außerdem, wie sich diese Stoffwechselwege entwickelt haben und welche ökologische Bedeutung sie für die jeweiligen Organismen haben.“

Zwei neue Stoffwechselwege

Im Berg-Labor findet Grundlagenforschung statt, wenn auch mit Implikationen für die Industrie. Denn längst finden zum Beispiel lipidabbauende Enzyme aus thermophilen Bakterien in Waschmitteln Verwendung, weil sie auch noch bei höheren Temperaturen ölige Flecken entfernen. In letzter Zeit wecken auch Enzyme aus Organismen Interesse, die bei besonders niedrigen Temperaturen noch gut funktionieren, denn sie könnten helfen, bei niedrigem Temperatur- und damit Energieaufwand trotzdem noch effizient zu waschen. Beispiele für industrielle Anwendungen gibt es also viele. Solcherlei Fragestellungen sind aber für einen Biochemiker wie Berg vorerst nicht relevant. Sein Augenmerk liegt auf der Entdeckung des Neuen und auf den globalen Zusammenhängen. So gelang es ihm während seiner Postdoc-Zeit im Labor des Freiburger Mikrobiologen Prof. Dr. Georg Fuchs vor einigen Jahren zum Beispiel, zwei neue Stoffwechselwege bei Mikroorganismen aus der Gruppe der uralten Crenarchaeota zu identifizieren, mit denen diese Kohlendioxid für ihren Stoffwechsel verfügbar machen können, um daraus komplexere Verbindungen wie Zucker oder Proteine herzustellen.

Der 3-Hydroxypropionat/4-Hydroxybutyrat-Zyklus zur Kohlenstoffdioxid-Fixierung, zu finden etwa bei Metallosphaera sedula. © Dr. Ivan Berg
Die interessanten Schritte bei der CO2-Fixierung in diesen zwei bis dahin nicht bekannten Stoffwechselwegen sind diejenigen, bei denen zwei Moleküle CO2 an ein Acetat-Molekül angehängt werden. Acetat ist das Anion der Essigsäure, bestehend aus einem Grundgerüst aus zwei Kohlenstoffatomen. Acetat ist in allen Organismen verbreitet. Aus diesem Molekül wird im Verlauf der zwei unterschiedlichen Reaktionsfolgen ein Molekül aus vier Kohlenstoffatomen gebildet, das dann zu Aminosäure- oder Zuckervorläufern weiterverarbeitet werden kann. Im einen Fall (Fuchs, Berg und sein Team nannten den entsprechenden Kreislauf den 3-Hydroxypropionat/4-Hydroxybutyrat-Zyklus) können diese Kernreaktionen der CO2-Fixierung in Anwesenheit von Sauerstoff ablaufen, also aerob. Das erfordert gehörig Energie, weil viele Enzyme und Zwischenprodukte gegen den Sauerstoff geschützt werden müssen. Aber die Reaktionsabfolgen können dafür in Mikroorganismen ablaufen, die sich an sauerstoffhaltige Habitate angepasst haben, wie etwa Metallosphaera sedula, einem Crenarchaeon, das in vulkanischen Umgebungen gedeiht und um die 75 Grad Celsius aushält sowie saure Umgebungen bis zu einem pH-Wert von 2.

Intelligenter Ideenklau unter Verwandten

Der Dicarboxylat/4-Hydroxybutyrat-Zyklus zur Kohlenstoffdioxid-Fixierung, zu finden etwa bei Ignicoccus hospitalis. © Dr. Ivan Berg
Der andere Weg (Dicarboxylat/4-Hydroxybutyrat-Zyklus) ist anaerob und damit zwar energetisch billiger, aber dafür anfällig gegenüber Sauerstoff, weshalb er in Crenarchaeoten zu finden ist, die in sauerstofffreien Nischen leben, wie etwa Ignicoccus hospitalis. „Für diese zwei unterschiedlichen Arten der CO2-Fixierung sind unterschiedliche Enzyme, sogenannte Carboxylasen, verantwortlich“, sagt Berg. Das Interessante ist, dass sich die zwei Kreisläufe in allen anderen Schritten, die den Kreislauf jeweils schließen, gleichen, nur eben in den Schritten zur CO2-Fixierung nicht. Die Ökologie der Sauerstoffumgebung scheint also einen Einfluss auf die Evolution dieser Teilschritte gehabt zu haben. Die ursprünglichen Archaebakterien, so vermuten Forscher heute, haben vor rund 3,5 Milliarden Jahren in einer anaeroben Umgebung gelebt, also ohne Sauerstoff. Als sich die Atmosphäre mit dem für uns Menschen lebensnotwendigen Gas gefüllt hat, müssen sich einige an die neuen Bedingungen angepasst haben, um die neuen Lebensräume zu erobern. „Wir vermuten, dass dies über den Mechanismus des sogenannten lateralen Gentransfers geschehen ist“, sagt Berg. Mikroorganismen verfügen über die Fähigkeit, frei schwimmende DNA aus der Umgebung aufzunehmen. Offenbar haben einige der Crenarchaeoten während ihrer Evolution zufällig die richtigen Gene aufgenommen und in ihr eigenes Erbgut eingebaut. Das Carboxylase-Enzym, das im Falle des aeroben Kreislaufs zur CO2-Fixierung die entscheidenden Schritte vermittelt, ist ein weit verbreitetes Protein, auch bei allen anderen Bakterien außerhalb des Archaea-Reiches zu finden. „Dass der intelligente Ideenklau tatsächlich stattgefunden hat, ist natürlich reine Spekulation“, sagt Berg. „Aber eine sinnvolle Spekulation. Denn das ist meiner Meinung nach momentan die beste Erklärung für das Auftreten des aeroben Schrittes zur CO2-Fixierung in einigen Crenarchaeoten.“

Ein zweischneidiges Schwert für den Laborgebrauch

Eines ist in jedem Fall klar: Beide neu entdeckten Stoffwechselzyklen sind für hohe Temperaturen optimiert, denn es entstehen in ihnen durch Hitze keine toxischen Zerfallsprodukte, die Zellschäden anrichten können. Die Hitzebeständigkeit der Enzyme ist im Labor allerdings ein zweischneidiges Schwert. „Für die Untersuchung der Proteine und Stoffwechselprodukte bei ihrem Wirkungsoptimum müssen wir bei sehr hohen Temperaturen arbeiten, um die 80 Grad Celsius“, sagt Berg. „Dafür sind teure Geräte und spezielle Materialien notwendig, die bei dieser Hitze nicht kaputtgehen.“ Auf der anderen Seite lassen sich im Modellorganismus E. coli exprimierte Enzyme aus den hyperthermophilen Crenarchaeoten sehr einfach in Reinform gewinnen. Man muss nur das Zellextrakt aus E. coli auf 80 Grad Celsius erhitzen. Dabei werden alle anderen Proteine denaturiert und man hat das reine exotische Enzym. „Natürlich sind viele Leute wegen der Nachteile der Laborarbeit mit extremophilen Mikroorganismen nicht daran interessiert, an ihnen zu forschen“, sagt Berg. „Aber alles was einfach war, ist heute allmählich erforscht. Bei den Extremophilen gibt es hingegen noch wirklich Neues zu entdecken.“ Laut Berg muss man auch abseits der leicht zugänglichen Straßen nachsehen, wenn man etwas Neues finden will. „Wenn ich Geld verloren habe“, sagt er, "dann suche ich ja auch dort, wo ich es verloren habe, und nicht dort, wo Licht ist. Auch wenn man im Licht besser sieht.“

Welche Anwendungen für die Industrie oder etwa den Umweltbereich reine Grundlagenforschung eines Tages ermöglichen wird, ergibt sich oft erst nach getaner Arbeit. Das zeigt zum Beispiel Bergs Fund des aeroben CO2-Fixierungsweges in Metallosphaera sedula. Inzwischen wurde anhand von Genomanalysen festgestellt, dass die in den Weltmeeren für rund 20 Prozent der mikrobiellen Biomasse verantwortlichen sogenannten Thaumarchaeota ebenfalls über diesen Stoffwechselweg verfügen. Und damit könnte der Stoffwechselweg durchaus am Wachstum der globalen Biomasse und am Kohlenstoffkreislauf in der Biosphäre mitbeteiligt sein. Sein Verständnis ist also alles andere als exotisches Wissen. Berg und seine Gruppe wollen die biochemischen Eigenschaften der Thaumarchaeota jetzt genauer unter die Lupe nehmen – neben einigen anderen grundlagenorientierten Projekten.

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