Mikrobenzirkus

Keine Panik vor Bazille, Virus & Co


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Micropia: Besuch im Mikrobenzoo in Amsterdam

MicropiaZwei Jahre ist es schon her, dass ich hier im Blog über Micropia ‑ den ersten Mikrobenzoo ‑ in Amsterdam berichtet habe. Ende Mai 2017 hatte ich nun endlich Gelegenheit, mir dieses Eldorado für Mikrobiologen selbst vor Ort anzuschauen: sozusagen ein Recherchetermin mit Familie mit zwei Teenagern (18 und 15 Jahre) für den Mikrobenzirkus in Amsterdam.

Micropia ist eine kleine aber feine Untereinheit des Stadtzoos Artis mitten in Amsterdam. Vom Bahnhof Amsterdam Centraal ist der Zoo ganz einfach mit der Tramlinie 9 zu erreichen ‑ wunderschön gelegen im Stadtteil Plantage.

Wir werden empfangen von freundlichen Besucher-Guides in weißen Laborkitteln, die uns die Tour durch das Museum und ein paar Kindern eine Art Stempel-Rally erklären. Dann geht es schon ab in den Fahrstuhl zur ersten Ebene des Museums. Dieser Einstieg durch eine Schleuse in den Mikrokosmos ist sehr gut gemacht. An der Decke des Fahrstuhls sehen wir uns auf einer Videowall zuerst selbst in voller Größe. Dann zoomt das Kamerabild über unseren Köpfen an das Auge eines Besuchers im Lift heran und zeigt uns die Mikroorganismen, die für gewöhnlich auf unseren Wimpern leben. Guter Effekt!

Aufwändige multimediale Exponate

Micropia ist wirklich ein einzigartiges und sehr aufwändiges Museum. Das Sehen und das Erleben der Mikroorganismen stehen für das Publikum im Mittelpunkt.

 

Sehr aufwändig inszeniert sind die meisten Exponate mit lebenden Mikroorganismen z. B. Bakterien oder Algen in großen Kolben, die regelmäßig erneuert werden müssen. Gleichzeitig kann man selbst Mikroskopieren und über einen Touchscreen den Mikroskop-Ausschnitt sehen. Je nach Interessenstiefe können wir die mediale Erweiterung der Exponate durchforsten, die mittels Filmen, Bildern und Texten Einblick in das Aussehen, Verhalten und die vielfältigen Beziehungen der Kleinstlebewesen zum Menschen gibt. Das funktioniert auch prima für die Eltern mit jüngeren Kindern neben uns.

Die Einzigartigkeit von Micropia liegt in der Mischung lebender und virtueller Mikroben. Die dramatischen Größenunterschiede zwischen den verschiedensten Kleinstlebewesen kann man auf einer fast 10 x 5 Meter großen, reaktiven Monitorwand erkennen, auf der die Mikroben wie in einem Aquarium schweben. In dem interaktiven Panorama mit extremophilen Mikroorganismen erleben wir Mikroben an Orten, die extreme Lebensbedingungen wie hohe Radioaktivität oder Kälte mit sich bringen. Die virtuellen Mikroorganismen schweben dank einer speziellen Projektionstechnik vor dynamischen 3D-Landschaften. Faszinierend!

Im Fokus: Positive Beziehung zwischen Mikroben und Menschen

Uns selbst und unseren Mikroben begegnen wir in der Ausstellung immer wieder. Am überraschendsten ist für die meisten Besucher in der Ausstellung der „Mikroben-Scan“ des eigenen Körpers, bei der sie interaktiv ihren Körper erforschen können. Ich trete sozusagen meinem virtuellen Ich gegenüber und kann die durchschnittliche Masse von zwei Kilogramm an Mikroben erforschen, die an und auf mir an unterschiedlichen Stellen meines Körpers leben. Die Technologie, die hierbei zum Einsatz kommt, ist ein hochentwickeltes Körpertracking.

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Körper-Scan auf Mikroben (S. Thiele)

 

Neben den Mikroben stehen immer wieder wir selbst im Zentrum der Ausstellung – und das auf mehreren Ebenen: als Betrachter, als interaktiv Handelnde und Forschende, und als Objekte, die es selbst zu erforschen gilt.

Sei es das „Kiss-o-meter“, bei dem wir erfahren, dass wir gerade 1 Million Bakterien und 100 verschiedene Typen ausgetauscht haben ;-). Oder eine beeindruckende Sammlung unterschiedlicher Kotsorten und Bakterien, die unseren Darm bewohnen.

Sehr beeindruckt hat mich persönlich eine ganze Wand voller Petrischalen mit Mikroben: Sie zeigt eine Vielzahl von, in unserem Haushalt mit uns lebenden, kleinen Nachbarn: Bakterien aus dem Teppich, vom Handy oder der Zahnbürste usw.

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Bakterien und Pilze, die mit uns im Haus leben (S. Thiele)

 

Mikroben im Kreislauf des Lebens

Bakterien und Pilze werden dringend gebraucht, damit der Kreislauf des Lebens funktioniert. Das wird in der Ausstellung extrem deutlich gemacht mit einem Exponat einer verwesenden Giraffe.  Aber auch vor Lebensmitteln machen die Mikroorganismen nicht halt.

 

Fazit:

Nicht nur mir als Mikrobiologin sondern auch meiner Familie hat diese Ausstellung sehr gefallen. Das Museum erscheint auf den ersten Blick nicht sehr groß – bietet aber für verschiedene Altersklassen ab ca. 10 Jahren eine Fülle an Informationen und interaktiven Möglichkeiten, sich spielerisch Wissen zu erarbeiten.  Die Exponate sind sehr gut gemacht und pflegeaufwändig. Wissenschaftler sind ständig in der Ausstellung und kontrollieren Kulturen oder stehen für Fragen zur Verfügung.

Der Mikrokosmos bleibt nicht nur beschränkt auf Bakterien, Viren Pilze oder Phagen. Auch Algen, Ameisen oder kleine Käfer finden hier noch Platz.

Ausstellungsdesign und Multimedia

Die Ausstellung wurde vom niederländischen Ausstellungsdesignbüro Kossmann.dejong in enger Zusammenarbeit mit ART+COM Studios gestaltet. Während Kossmann.dejong für die Gesamtkonzeption des Ausstellungsdesigns und Szenografie verantwortlich war, arbeitete ART+COM in erster Linie an der Konzeption, Gestaltung und Entwicklung der medialen Exponate – von den ersten Skizzen zum Interaktionsdesign bis hin zur Programmierung und zum Hardwaredesign.

Unbedingt Probieren!

Das Café-Restaurant „De Plantage“ gleich neben Micropia ist ein echter Insider-Tipp. Es ist ein gemütliches und nostalgisches Gartenrestaurant am Artis-Zoo mit einer schönen Sonnenterasse. Gegenüber kann man Flamingos und Störche beobachten.

Meine Empfehlung: Tartines (geroosterd desembrood) Crème van Hollandse geitenkaas (Ziegenkäse) met gegrilde honingpeer (Honigbirne), rucola an hazelnoot. LEKKER!

Mikrobiologische Grüße aus Amsterdam

Susanne

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Das Bakterium, das die „Titanic“ frisst

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Rostbärte (Rusticles) am Wrack der Titanic (By Courtesy of NOAA/Institute for Exploration/University of Rhode Island (NOAA/IFE/URI).

Schon seit 100 Jahren verfällt die Titanic auf dem Grund des Nordatlantiks. Ein ungewöhnliches Bakterium hilft dabei kräftig mit. So wird Leonardo di Caprio und Kate Winslet – den beiden Stars aus dem gleichnamigen Blockbuster– buchstäblich der Dampfer unter den Sohlen weggefressen.

Der Untergang der „Titanic“ ist die wohl bekannteste Katastrophe der Seefahrt: Nach der Kollision mit einem Eisberg auf seiner Jungfernfahrt von Southampton in England nach New York sinkt der Luxusdampfer in der Nacht vom 14. auf den 15. April 1912. Rund 1500 der mehr als 2200 Menschen an Bord kommen ums Leben.

Als das Schiff 1985 in 3800 Meter Tiefe auf dem Grund des Atlantischen Ozeans entdeckt wurde, war es schon in keinem guten Zustand mehr. Schon in 15 bis 20 Jahren könnten die Überreste komplett verschwunden sein, schätzen Wissenschaftler des Bremerhavener Alfred-Wegener-Instituts (AWI) für Polar- und Meeresforschung. Die Ursache dafür ist bakterieller Eisenfraß. Das Wrack ist von Eisenfilmen und Rost überzogen.

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Halomonas titanicae (gemeinfrei)

Vor einigen Jahren entdeckte ein Forscherteam um Antonio Ventosa von der Universität Sevilla auf dem Wrack in Eisenflocken eine bisher unbekannte Bakterienart, die nach ihrem Fundort Halomonas titanicae genannt wurde.

 

Sie berichteten im Fachmagazin „International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology“ darüber.

 

 

„Eigentlich wächst dieses Bakterium gerne im Warmen bei über 30 Grad. Aber dort, wo das Wrack liegt, sind es vier Grad.“
Antje Boetius vom AWI

In der kalten Tiefsee müssten die Schiffsüberreste eigentlich geschützt sein. Tatsächlich aber zersetzen die Mikroben trotz der Kälte die Schiffswände. Sie tragen dabei nicht langsam Millimeter für Millimeter die Oberfläche ab, sondern verursachen Lochfraß. Dadurch wird das Wrack instabil und fällt irgendwann zusammen.

Den Grund für die Zersetzung des UNESCO-Weltkulturerbes kennen die Wissenschaftler:

„Die Bakterien entziehen dem Eisen Elektronen als Energiequelle, um wachsen zu können. Sie leben also direkt vom Metall. Dieser Elektronenentzug führt dazu, dass das Metall rostet. Ein faszinierender Prozess.“
Antje Boetius vom AWI

Auch für moderne Unterwasserbauwerke könnten die Folgen des Eisenfraßes gefährlich werden. So könnten die Bakterien an Unterwasser-Ölpipelines ähnliche Schäden anrichten wie an der „Titanic“. Über dieses Problem im Meer wird bisher von der Industrie wenig gesprochen.

Der Vorsitzende des „Deutschen Titanic-Vereins von 1997“, Malte Fiebing-Petersen, sieht den kompletten Zerfall der „Titanic“ noch nicht ganz so bald kommen wie die AWI-Experten. „Die Natur holt sich das Schiff zurück. Das ist der Lauf der Dinge“, sagte Fiebing-Petersen.

Allerdings sei der Stahl nicht überall gleich dick. Die oberen Decks seien vermutlich tatsächlich in 10 bis 15 Jahren verschwunden. Die eigentliche Schiffshülle aber sei aus dickerem Stahl.

„Den aufrecht stehenden Bug werden wir noch viele Jahrzehnte haben.“
Malte Fiebing-Petersen

Literatur:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20061494

 

 

 

 


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Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum – färbt Seen und Flamingos pink

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Kolonien von Halobakterien wachsen nur auf Nährböden mit hohem Salzgehalt. © Felicitas Pfeifer, Darmstadt

Genau vor 100 Jahren wurden sie entdeckt – die aktuelle Mikrobe des Jahres: Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den rötlichen Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf einen festen Nährboden- und entdeckte einige Wochen später die roten Kolonien eines „Salzbakteriums“. Heute heißt der Mikroorganismus Halobacterium salinarum und wurde gerade zur Mikrobe des Jahres 2017 gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM).

Manche mögen’s rot und salzig

Halobacterium salinarum ist kein Baktrium. Die Mikrobe zählt zu den Archaeen – Urformen des Lebens, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind. Archaeen sind oft an sehr außergewöhnliche Lebensräume angepasst – so beispielsweise an heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie im Fall von H. salinarum – an hohe Salzkonzentrationen. Dank spezieller Kanalproteine in seiner Zellhülle kann H. salinarum seinen Salzgehalt an die äußeren Bedingungen anpassen. Man mag es kaum glauben, aber er kann sogar in Salzkristallen hunderte von Jahren überleben.

Halobacterium salinarum wächst besonders gut in Salinen und Salzlaken, die er rot-violett färbt, da er rote Farbstoffe enthält. Diese Farbstoffe (Karotinoide) reichern sich in der Nahrungskette an: kleine Salzkrebse fressen die Mikroben, von denen sich wiederum Flamingos ernähren. So kommen die Vögel zu ihrem auffälligen rosarotem Federkleid.

Einzellige Urform des Sehens

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Bacteriorhodopsin aus der Zellhülle von Halobacterium salinarum wechselt bei Belichtung seine Farbe und transportiert Wasserstoff-Ionen – Eigenschaften, die für technische Verwendungen nutzbar sind. © MPG / Wolfgang Filser

Die Haloarchaeen, wie sie korrekterweise genannt werden, verfügen über eine besondere Form der Photosynthese. Dazu nutzen sie zur Lichtabsorption Bakteriorhodopsin anstelle von Chlorophyll. Diese Pigmente, die das Licht in für die Zelle verwertbare Energie verwandeln, kommen in der Zellhülle von Halobacterium vor. Dabei wechselt die Farbe des Bacteriorhodopsin von violett zu geb. Das Faszinierende daran: ein vergleichbares Rhodopsin ist in unserem Auge für den Sehvorgang verantwortlich. Die Evolution der molekularen Grundlage unseres Sehsinns hat vermutlich seine Wurzeln in diesen uralten Mikrobenformen.

Lichtschalter für Heilmethoden der Zukunft

Neben dem Bacteriorhodopsin hat man bei den Archaeen noch weitere Rhodopsine entdeckt, die als Werkzeuge im hochaktuellen Forschungsfeld der Optogenetik zum Einsatz kommen. Der Einbau in der Nervenzellen ermöglicht es, deren Aktivität durch „molekulare Lichtschalter“ an und auszuschalten und so neurodegenerative Erkrankungen besser zu erforschen z B. Netzhauterkrankungen, Parkinson oder Epilepsie.

Taucher mit Propellerantrieb

Die Mikrobe des Jahres bietet noch eine weitere Besonderheit: Sie reguliert ihre Zelldichte mithilfe von speziellen Gasvesikeln, die mit Luft gefüllt und von einer wasserdichten Proteinhülle umschlossen sind. Wie ein Taucher kann Halobacterium so in bestimmten Wassertiefen schweben und für sich optimale sauerstoff- und Lichtverhältnisse aktiv aufsuchen.

Dank eines Antriebs mit langen Fortsätzen kann die Mikrobe in diesen Wasserschichten auch umherschwimmen und sich nach dem Prinzip eines Propellers durch die zähe Salzlösung „schrauben“. Die Archaeen haben dafür einen eigenen molekularen Drehmotor erfunden, der auf ein zelleigenes Signal hin die Drehrichtung und damit die Orientierung ändern kann.

Alles in allem also ei sehr interessanter Mikroorganismus: Halobacterium hat sich übrigens auch noch als äußerst strahlungsresistent erwiesen: Die Mikroben überstanden einen monatelangen Flug im Außenbereich der internationalen Raumstation ISS.

Weitere Informationen findet ihr unter  Mikrobe des Jahres.

Mit mikrobiologischen Grüßen

Susanne


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Wie Bakterien Schnee machen

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An der Schneebildung können auch Mikrorganismen beteiligt sein. (Pixabay)

Draußen wird das Wetter jetzt im Dezember zunehmend frostiger. An Fensterscheiben erscheinen Eisblumen wie hingemalt und weißer Raureif überpudert morgens die Pflanzen im Garten. Der erste Schnee ist nicht mehr weit. Man kann ihn schon riechen.

Schneeflocken sind übrigens keineswegs nur einfach Kristalle aus reinem Wasser – eingefroren in einer wunderschönen geometrischen Grundstruktur. Auch bei ihrer Entstehung können überraschenderweise Mikroorganismen beteiligt sein. Bakterien und andere winzige Organismen tragen viel stärker als vermutet in unserer Atmosphäre zur Bildung von Schnee und Regen bei. Das erkannten Forscher der Louisiana State University in Baton Rouge im Wissenschaftsmagazin „Science“ schon im Jahre 2008, nachdem sie Schneeproben aus 19 unterschiedlichen Regionen der Welt untersucht hatten.

Bakterien für große Schneeflocken

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Eiskristalle (Pixabay)

Damit Eiskristalle wachsen können, braucht es einen kleinen Anstoß. Bei einer Schneeflocke genügen schon in der Luft umherschwirrende Teilchen, die Aerosole oder Eiskeime. Das können anorganische Stoffe, wie Staubkörner, Salze sein oder auch organische Aerosole wie Mikroorganismen, Pollen, Algen, Pilzsporen, Bakterien oder Viren. An diese „Kristallisationskeime“ lagern sich winzige Wassermoleküle an. So entstehen in den Wolken Wassertröpfchen, die später als Niederschlag zur Erde fallen. Bei Temperaturen unter Null bilden sich statt der Wassertropfen winzige Eiskristalle. Die Wassermoleküle lagern sich dann in bestimmten Winkeln aneinander an. Nach und nach entstehen Prismen, Säulen, Plättchen, Nadeln oder Sterne. Schneekristalle sind in der Regel sechseckig. Es gibt unzählige Möglichkeiten, wie sie sich zusammensetzen können. Daher geht man auch davon aus, dass Eiskristalle einzigartig sind. Schnee entsteht, wenn viele der Eiskristalle aneinander klebenbleiben.

Schneeflocken können übrigens sehr groß werden – bis zu 20 Zentimeter. Man spricht dann von „Pfannkuchen-Schnee“. Ins Guinessbuch der Rekorde hat es eine sogar 38 Zentimeter große Schneeflocke geschafft. Normalerweise werden Schneeflocken aber nur wenige Millimeter dick und sind federleicht. Eine fünf Millimeter breite Flocke wiegt nur vier tausendstel Gramm.

Die Schneeflocken mit organischen Eiskeimen sind meist größer als solche mit Staubkörnern. Das hat einen ganz einfachen Grund: Organische Eiskerne, wie beispielsweise Bakterien, haben ein viel größeres Volumen als Staubkörner. Umso mehr Platz haben logischerweise auch die Wassermoleküle, die hier andocken können. Weitere Wassermoleküle werden außerdem noch angezogen, wenn im Kern schon viel Wasser gespeichert ist. So können biologische Eiskeime selbst bei relativ hohen Temperaturen die Bildung von Schneekristallen auslösen.

Schneebakterium Pseudomonas syringae

Schnelle Berühmtheit als ein eisaktives Bakterium hat Pseudomonas syringae erlangt. Es löst schon bei minus zwei Grad Celsius die Eisbildung in Wassertropfen aus. Zum Vergleich: Enthalten Wassertropfen nur Mineralstaub oder Ruß als Kondensationskeime für die Eiskristallbildung, setzt der Gefrierprozess erst ab Temperaturen von etwa minus 15 Grad Celsius ein. Das Schneebakterium sorgt also gefährlich schnell für Schnee. Das ist natürlich einerseits für Betreiber von Schneekanonen für schneearme Skipisten sehr interessant. Andererseits kann der Mikroorganismus an Pflanzen, auf denen er siedelt, unschöne Frostschäden verursachen.

Aber wieso ist das Bakterium eigentlich ein Gefrierbeschleuniger? Das konnte Anfang 2016 ein Wissenschaftlerteam des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz aufklären. Sie analysierten die Oberfläche des Bakteriums und fanden als Ursache bestimmte Proteinmoleküle an der Bakterienoberfläche. Dadurch sind die Bakterien in der Lage, den Ordnungszustand und die Dynamik von Wassermolekülen in Wassertröpfchen beeinflussen zu können – durch Wechselwirkung mit bestimmten Aminosäuresequenzen. Zudem nehmen die Proteine Wärmeenergie aus dem Wasser auf und leiten sie weiter in das Bakterium. Dadurch können sich die Wassermoleküle schneller zu einem Eiskristall zusammen lagern.

Schneekanone auf der grünen Wiese

Die eisbildenden Eigenschaften von Pseudomonas syringae kommen bei der Snowmax-Methode, bei der bei Plusgraden Schnee auf den Skipisten erzeugt wird, zum Einsatz. Man nutzt dabei abgetötete Pseudomonas-Bakterien. Ihr Eiweiß lässt Wasser auch bei plus fünf Grad Celsius zu schneeähnlichem Pulver werden. Bei minus drei Grad entsteht ein pulvrig weißer Schnee, den man auch als „Technischen Schnee“ bezeichnet. In USA werden schon ganze Ski- gebiete damit beschneit, in der Schweiz ist dies teilweise auch möglich. In Österreich und Deutschland ist die Snowmax-Methode verboten. Hier darf bisher nur reines Wasser ohne chemische oder bakterielle Zusätze zum Beschneien verwendet werden. Wenn die Wintertemperaturen so hoch bleiben, wird man wohl auch in Deutschland nochmal über das Schneebakterium nachdenken.

Schneemann Challenge

Aber zuerst geben wir diesem Winter eine Chance. Für meine Zwecke zum Rodeln und Schneemannbauen reicht das normale Schneeaufkommen in Niedersachsen meist aus. Und bis zum Welttag des Schneemanns am 18. Januar ist auch noch etwas Zeit. Na hoffentlich hält sich das Wetter dran! Ansonsten wissen wir nun, wie es funktioniert.

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Schneemann und unser Kater Kasper (S. Thiele)

 

Mikrobiologische Grüße

Susanne


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Salmonella Typhi – Kein Typ zum Kuscheln!

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Computergenerierte 3D-Darstellung von Salmonella Typhi-Bakterien, die Typhus auslösen. Das flauschige Aussehen der Bakterien entsteht durch die kurzen dünnen Pili an der Oberfläche. Auffällig sind auch die Geißeln, mit denen sich die Bakterien fortbewegen können. Quelle: U.S. Centers for Disease Control and Prevention – Medical Illustrator (CC0)

Mikrobe des Monats 6/2016 :  Es wird Sommer und Salmonellen-Vergiftungen machen wieder regelmäßig Schlagzeilen. Die Medien berichten jedes Jahr in den warmen Monaten über gehäufte Durchfallerkrankungen in Altenheimen oder Krankenhäusern, die durch eine Infektion mit Salmonellen ausgelöst werden. Die Infektionsquelle ist meist in Lebensmitteln zu finden. Besonders gefährlich sind ungekochte Fleischwaren wie Tatar, Hackfleisch, Mettwurst und Huhn sowie Muscheln, Eier, Speiseeis und Mayonnaise. Diese müssen ausreichend gekühlt und innerhalb ein bis zwei Tagen verzehrt werden. Großküchen haben da anscheinend manchmal Probleme oder auch nach Straßen- oder Volksfesten treten gern mal Salmonellen-Vergiftungen auf.

Salmonellen als Überlebenskünstler

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Namensgeber der Salmonellen: Tierarzt Daniel Elmer Salmon (Wikimedia Commons)

Die kleinen, stäbchenförmige Bakterien, die solche Magen-Darm-Infektionen (Salmonellosen) verursachen können sind wahre Überlebenskünstler. Ihr natürlicher Lebensraum ist der Magen-Darm-Trakt von verschiedensten Tieren, seltener auch von Menschen. Sie vermehren sich bei Temperaturen von 10 bis 47 Grad Celcius und können aber auch in der Umwelt, auf verschiedenen Lebensmitteln, in Pflanzen und eingetrocknet für Jahre überleben. Selbst bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt sterben sie nicht ab. Abtöten kann man Salmonellen, indem man sie für mindestens zehn Minuten bei über 70 Grad Celsius erhitzt.

Benannt wurden die Bakterien übrigens nach dem US-amerikanischen Tierarzt Daniel Elmer Salmon, der den Erreger der sogenannten „Schweinecholera“ 1885 isolierte.

Viele Typen von Salmonellen

Die Salmonellen bilden eine große Gruppe innerhalb der Bakterien. Für den Durchfall sind fast immer Vertreter der Untergruppe Salmonella (S.) enterica verantwortlich. Unbedingt zu unterscheiden von den hierzulande auftretenden Salmonellen- Infektionen ist der Typhus, der ebenfalls durch Salmonellen hervorgerufen wird (S. Typhi), der bis auf eingeschleppte Reiseinfektionen in Deutschland eine geringe Bedeutung hat. Und um Salmonella Typhi, diesen eher unangenehmen Vertreter der Gattung, geht es hier.

Salmonella Typhi – Von Mensch zu Mensch

Eine Infektion mit S. Typhi erfolgt primär über den Menschen, also durch bereits erkrankte Personen oder sogenannte „Dauerausscheider“ – das sind erkrankte Personen, bei denen das Bakterium nach zehn Wochen immer noch nachweisbar ist. Bei diesen infizierten Personen müssen keine Symptome auftreten. Im Gegensatz zu den harmlosen „Durchfall-Salmonellen“, bei denen eine hohe Infektionsdosis mit 100.000-1.000.000 Bakterien nötig ist, um eine lokale Infektion des Darmes auszulösen, ist bei Salmonella Typhi schon eine bereits geringe Infektionsdosis mit 100-1.000 Erregern ausreichend.

Die Ballade von der „Typhoid Mary“

Der Typhuserreger hat die Eigenschaft, gelegentlich viele Jahre in der Gallenblase oder in den Nieren eines Patienten zu überdauern, der sich schon von der Krankheit erholt hat. Eine solche Person scheidet dann über Jahre hinweg die Mikroben an die Umwelt aus.

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Typhus-Mary in einer Zeitungs-Illustration von 1909 (Gemeinfrei)

In der Geschichte ist so ein unerkannter Fall einer Typhus-Infektion berühmt geworden. Der Fall der leidenschaftlichen Köchin Mary Mallon ist authentisch. Wo immer sie kochte, traten seltsame Todesfälle auf. Man nannte sie „Typhoid Mary („Typhus-Mary“), weil sie zwischen 1900 und 1907 als Köchin in New York 47 Personen mit Typhus infizierte, ohne selbst an den Symptomen der Krankheit zu leiden. Als die Auslöserin einer Typhus-Epidemie war Mary eine klassische Indexpatientin (auch Patient Null).
Den Autor J.F. Federspiel inspirierte die Begebenheit dazu die halberfundene und sehr dramatische Erzählung „ The Ballad of Typhoid Mary“ über eine der berühmtesten Trägerinnen von Salmonella Typhi im Jahre 1982 zu veröffentlichen. Die Geschichte hat auch heute nichts von ihrer Aktualität verloren.

Antibiotikaresistente Salmonellenstämme

Heute stellen die schweren Infektionen mit Salmonella Typhi wieder eine neue Herausforderung dar. Ihre Behandlung wird immer mehr zu einem Problem. Denn auch Bakterien vom Typ Salmonella haben inzwischen Resistenzen gegen diverse Antibiotika entwickelt. Seit Anfang der 90er Jahre tauchten in Asien und Afrika immer häufiger multiresistente Salmonellenstämme auf, denen die gängigen Antibiotika wie Ampicillin oder Chloramphenicol nichts mehr anhaben konnten. Die WHO empfahl daraufhin, Antibiotika der dritten Generation einzusetzen, wie das Ciprofloxacin aus der Gruppe der Fluorchinolone.

In einer Studie in Ghana untersuchten die Wissenschaftler, ob dieses neue Antibiotikum dort auch bereits Resistenzen ausgelöst hat. Die Ergebnisse der Studie sind eine erste Warnung: In einigen Varianten von Salmonellen konnte eine  verminderte Empfindlichkeit auf Ciprofloxacin nachgewiesen werden; bei einem Serotyp war bereits die Hälfte der Isolate betroffen. Der Typhus-Erreger Salmonella Typhi wies bei diesen Isolaten noch keine verminderte Empfindlichkeit auf. Eine länderübergreifende Untersuchung zeigte aber auch für Salmonella Typhi bereits eine reduzierte Empfindlichkeit für Ciprofloxacin; besonders hoch war das Vorkommen in Kenia. Das wäre insofern bedenklich, als Ciprofloxacin häufiger eingesetzt werden wird, wenn die Kosten sinken, meinten die Forscher. Wenn die Salmonellen im Blut nicht mehr mit den neuen Antibiotika wie Ciprofloxacin in den Griff zu bekommen sind, wäre das ein großes Problem für die betroffenen Länder.

Quelle: Deutsches Zentrum für Infektionsforschung

Über Kommentare oder Ergänzungen freue ich mich…

Mikrobiologische Grüße

Susanne

 


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Blutende Hostien und Fronleichnam

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Raphael, The Mass at Bolsena (1512) (Public Domain)

Meet the microbe 05/2016 – Serratia marcescens

Was hat Fronleichnam eigentlich mit Mikrobiologie zu tun …? Dazu müssen wir zurückreisen ins tiefste und blutige Mittelalter…in einem Mikrobenzirkus-Gastbeitrag von  Dr. rer. nat. Olaf Kaup (Mikrobiologe).

Im Jahre 1264 ereignete sich ein bemerkenswertes „Blutwunder“ in der Kirche der heiligen Christina in Bolsena (Italien): Der böhmische Mönch, Peter von Prag, bereitete, wie gewohnt, Hostien für das Abendmahl vor. Er gehörte zu denjenigen, die bis dato an der „Transsubstantation“ zweifelten, welche erst 1215 als Dogma in der Kirche eingeführt worden war. Dieses Dogma der Transsubstantation besagt, dass die geweihte Hostie, die beim Abendmahl gereicht wird, der tatsächliche Leib Jesus Christus ist (und nicht nur, wie vorher, ein Symbol dessen).

Dieser zweifelnde Mönch entdeckte nun blutrote Verfärbungen auf den Hostien. Die Deutung in der damaligen Zeit war klar: Die Hostien haben angefangen zu bluten, um ihm, dem zweifelnden Mönch – und allen anderen – zu zeigen, dass alle Zweifel falsch sind. Sind die Hostien geweiht für das Abendmahl, sind sie keine gewöhnlichen Oblaten mehr, sondern zweifelsohne der wahrhaftige Leib Jesus Christi.

Zufälliger Weise verweilte Papst Urban IV. zur gleichen Zeit nur wenige Kilometer entfernt auf seinem Sommersitz. Er hörte von diesem „Blutwunder“ und war selbst davon so beeindruckt, dass er festlegte, von nun an sei das Festum Corporis Christi am Donnerstag nach Trinitatis zu halten, welches wir heute als den Feiertag Fronleichnam in den überwiegend katholischen Regionen kennen.

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Blutrote Kolonien von Serratia marcescens (CC BY-SA 3.0)

Aus heutiger Sicht weiß man, dass es einen Erreger gibt, welcher auf kohlenhydrathaltigen Nährböden einen markanten, leuchtend roten Farbstoff bildet. Dabei handelt es sich um Serratia marcescens, ein gramnegativen Stäbchenbakterium, welches zur Familie der Enterobacteriaceae gehört. Aus modernen, wissenschaftlichen Betrachtungen geht man heute rückblickend davon aus, dass viele historische Schilderungen über blutrote Verfärbungen auf Brot, Polenta und vor allem geweihten Hostien diesem Erreger zuzuschreiben sind.

Im Mittelalter wurden leider auch viele Menschen aufgrund von Fehldeutungen von Hostienerscheinungen ermordet. Dabei handelte es sich vor allem um jüdische Pfandleiher, bei denen zu damaliger Zeit Hostien als Pfand hinterlegt wurden. Wurden diese später wieder ausgelöst und zeigten sich danach blutrote Verfärbungen, war aus damaliger Sicht die Deutung klar: Der jüdische Pfandleiher hatte den Leib Jesus Christi mit einem heißen Messer gemartert, so dass dieser anfing zu bluten. Folglich landete der Pfandleiher (und oftmals auch viele weitere Juden aus seiner Umgebung) auf dem Scheiterhaufen. So geschehen z.B. 1492 in Sternberg (Mecklenburg), wenig später wird dort die Hlg. Blutkapelle errichtet.

Im Mittelalter entwickelte sich ein wahrer „Hostienboom“. Zu den Orten, wie Sternberg oder auch Wilsnack (Brandenburg), wo nach einem Kirchenbrand in den Trümmern des massiven Altars „blutende Hostien“ gefunden wurden, entwickelten sich große Wallfahrten. Dort zeigten sich fortan seltsame Wunderheilungen, die mit der Anbetung der blutenden Hostien in Verbindung gebracht wurden – Lahme konnten wieder laufen oder Totgeglaubte wurden geheilt. Die Kirche verdiente durch einen regen Ablasshandel sehr gut daran mit.

Erst 1517, durch Martin Luther, endete dieser „Teufelsspuk“ (Zitat Luther) – zumindest dort, wo sich die Reformation durch setzte. Die wissenschaftliche Aufklärung begann dann im Jahre 1819: In der Nähe von Padua in Italien zeigten sich wieder blutrote Verfärbungen, diesmal auf Polenta. Durch wissenschaftlich-analytisches Vorgehen konnte in diesem Fall aber sehr schnell eine „göttliche Mahnung“ ausgeschlossen werden. Der Erreger Serratia marcescens wurde isoliert, die Übertragbarkeit durch die Hände demonstriert und u.a. wurde die Alkohollöslichkeit der roten Farbstoffs Prodigiosin gezeigt.

Der ursprüngliche Name des Erregers Bacterium prodigiosum und die Bezeichnung des von ihm gebildeten Farbstoffs Prodigiosin gehen auf den Zusammenhang mit diesen scheinbaren Blutwundern in Bolsena zurück: lateinisch prodigium, „Wunderzeichen“. Damit verknüpft wurden auch bereits die ersten rückblickenden, wissenschaftlichen Betrachtungen zu „blutenden Hostienerscheinungen“ im Mittelalter angestellt.

Gastbeitrag von Dr. rer. nat. O. Kaup, Mikrobiologe

Quelle: Mochmann u. Köhler: Meilensteine der Bakteriologie, 1997

Über Kommentare und Anregungen freuen wir uns!

 

 


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Lecker Plastik für Bakterien

Mikrobe des Monats 03/2016 – Ideonella sakaiensis.

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Plastikflaschen stehen auf der Speisekarte von Bakterien (CC0 Public Domain)

In diesem Monat drängt sich ein gerade „frisch entdecktes“ Bakterium förmlich für einen Beitrag zur Mikrobe des Monats auf – das Bakterium Ideonella sakaiensis 201-F6. Ganz oben auf der Speisekarte des ungewöhnlichen Mikroorganismus steht Plastik- vor allem die transparenten Flaschen aus dem Kunststoff PET – Polyethylenterephthalat.

Eigentlich sieht die Ideonella aus wie ein ganz gewöhnliches Bakterium, aber seine besonderen Stoffwechselfähigkeiten machen es zu einem Helden. Japanische Forscher um Shosuke Yoshida vom Kyoto Institute of Technology haben die Bakterien in einer Recycling-Anlage für Plastik entdeckt und die Studie im Fachmagazin „Science“ veröffentlicht. Das Bakterium ist in der Lage, den PET-Kunststoff in wenigen Wochen restlos zu zersetzen und dabei sogar noch äußerst effektiv Energie gewinnen. Nur bei bestimmten Pilzen waren bisher solche Fähigkeiten bekannt.

Hilfe für Plastik-Ozeane?

Bislang ging die Forschung noch davon aus, dass die Flaschen aus PET – nicht von Bakterien oder Kleinstlebewesen verdaut werden können. Es dauert etwa 450 Jahre, bis sich eine Kunstofflasche zersetzt hat, schätzt das Umweltbundesamt. Durch das Sonnenlicht und das salzige Meerwasser löst sich das Plastik zwar in kleine Schnipsel auf, komplett zersetzt wird es aber nicht. Kleinste Partikel, die sogenannte „Mikroplastik“ verbleibt in Meeren und Gewässern oder findet sogar den Weg zurück über die Nahrungskette in den Menschen.

Eine plastikfressende Mikrobe wäre eigentlich ziemlich praktisch, könnte man sich nun denken. Hat sich endlich ein glücklicher Abnehmer für die riesigen Mengen an Plastikmüll gefunden, die jedes Jahr produziert werden und im Meer, in Flüssen und im Erdboden landen. Mehr als 300 Millionen Tonnen Kunststoff werden jährlich weltweit produziert, darunter etwa 50 Millionen PET. Wir müllen langsam die Erde mit Plastik zu. Aber die Natur scheint sich selbst zu helfen.

Plastikverwerter mit Spezialenzymen

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Plastikfressendes Bakterium (Kohei Oda/Kyoto Institute of Technology)

Der japanische Forscher Yoshida und sein Team gingen davon aus, das bestimmte Mikroben die Stoffwechselfähigkeit zum Kunststoffverdauen entwickeln könnten. So suchten sie ganz gezielt an Orten mit einem großen Nahrungsangebot an PET, wo die natürliche Auslese diese Arten begünstigen würde. Und sie wurden fündig. Sie beobachteten, dass die Bakterien bei 30˚ Celsius nur sechs Wochen brauchten, um einen dünnen Plastikfilm fast komplett zu zersetzen. Das ist schon viel schneller im Vergleich zu den üblichen 450 Jahren! Im Stoffwechsel des Bakteriums sind dazu zwei Spezialenzyme vorhanden.

Die Bakterien siedeln sich an der rauhen Plastikoberfläche an und sondern ein erstes Enzym ab – die PETase. Dieses bricht die chemischen Bindungen im Kunststoff PET auf. Ein Zwischenprodukt entsteht. Mit einem zweiten Enzym der MHETase wird es in die Grundbausteine Glykol und Terephthalsäure gespalten. Diese Produkte kann das Bakterium direkt zur Energiegewinnung nutzen. Nur Kohlenstoff und Wasserstoff bleiben übrig.

Schnelle Evolution der Bakterien

Für die Forscher ist es noch rätselhaft, warum die Bakterien ihre beiden hochselektiven Enzyme für den Plastikabbau entwickelt haben. Die Enzyme waren bisher so nicht bekannt und ähneln auch anderen Enzymen nicht. Zudem gibt es den Kunststoff PET erst seit rund 70 Jahren. Für eine evolutionäre Anpassung der Bakterien an das Nahrungsangebot PET wäre das eine extrem kurze Zeit.

Neue Chancen in Sachen Müll

Die Forscher hoffen jetzt, dass sie einen wichtigen Beitrag gegen die wachsende Umweltverschmutzung durch Plastikmüll leisten können, etwa durch wirksameres Recycling von Kunststoffabfällen. Bisher ist Ideonella sakaiensis noch etwas zu langsam, um das globale Müllproblem zu lösen. Die Spezialenzyme könnten aber in andere, schnellere Stämme eingebracht werden.

Fazit: Die Entdeckung von Ideonella ist der Startschuss für weitere Forschung und neue Chancen in der Beseitigung von Plastikmüll.

Quelle:

Shosuke Yoshida, Kazumi Hiraga, Toshihiko Takehana, Ikuo Taniguchi, Hironao Yamaji, Yasuhito Maeda, Kiyotsuna Toyohara, Kenji Miyamoto, Yoshiharu Kimura, Kohei Oda: A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). In: Science. 351, Nr. 6278, 11. März 2016, S. 1196–1199, doi:10.1126/science.aad6359.

Ich freue mich über Fragen und Kommentare!

 


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Mikrobe des Jahres 2016 – Streptomyces – die Pharmazeuten unter den Mikroben

Titelblatt Version 1 Pilzhyhpe mit Cluster von Streptomyceten-H

Streptomyces mit stark sporulierender Oberfläche, der rot gefärbte Stoffwechselprodukte ausscheidet (@Hildgund Schrempf)

Ta-daah! Trommelwirbel und Fanfare für die neue Mikrobe des Jahres 2016 und gleichzeitig unsere Mikrobe im Februar hier im Mikrobenzirkus! Die Bakteriengattung Streptomyces wurde in diesem Jahr von der VAAM (Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie) für den Titel ausgewählt.

Streptomyces ist sehr bedeutsam in der Medizin als Wirkstoffproduzent. Zwei Nobelpreise 1952 und 2015 wurden schon für das Antibiotikum Streptomycin und das Antiparasitikum Ivermectin vergeben.

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Wirkstoffe aus Streptomyceten können Bakterien abtöten – hier sichtbar als klare Hemmhöfe im Bakterienrasen, Fotomontage (@Hildgund Schrempf)

Aus Streptomyceten sind heute mehrere Tausend sehr unterschiedliche organische Moleküle bekannt. Diese können z.B. das Wachstum von Pflanzen stimulieren, hemmen andere Bakterien (Antibiotika) oder Pilze (Fungizide). Einige beeinflussen auch unser Immunsystem oder verhindern das Wachstum von Tumoren (Zytostatika).  Sie leben mit den Bakterien in enger Gemeinschaft und profitieren so von der Abwehr schädlicher Mikroorganismen. Bis heute ist Streptomyces mit rund 70 Prozent der erfolgreichste Lieferant antibiotischer Wirkstoffe, die therapeutisch einsetzbar sind. Aktuelle Studien lassen vermuten, dass noch viele bislang unbekannte Schätze aus Streptomyceten in den nächsten Jahren gehoben werden können.

Diese Bakterien haben viele weitere Talente: Sie spielen eine wesentliche Rolle beim Recycling abgestorbener Pflanzen, für die Humusbildung und sorgen nebenbei für den frischen Duft von Waldboden.

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Streptomyces bauen tierische und pflanzliche Reste über Zwischenstufen zu wertvoller Erde um (@Hildgund Schrempf)

Streptomyceten scheiden zahlreiche Enzyme aus und bauen damit viele komplexe Substanzen ab, beispielsweise schwer spaltbare Stoffe wie Cellulose aus Holz oder Chitin von Insektenpanzern und Pilzen. Die entstehenden kleineren Nährstoffe dienen den Streptomyceten als Nahrung. So sorgen diese Bakterien für das Recycling von Pflanzenfasern und Resten abgestorbener Organismen.
Auch für Insekten sind sie sehr nützlich. Im Darm von Regenwürmern, Termiten und anderen Lebewesen bauen Streptomyceten schwer verdauliche Stoffe ab. Streptomyces trägt wesentlich zum ökologischen Stoffkreislauf bei sowie zur Bildung von Kompost und Humus. Zudem scheiden die Bakterien komplizierte, oft auffällig gefärbte Moleküle aus, die für unsere Gesundheit von unschätzbarer Bedeutung sein können. (Quelle: VAAM )

Nobelpreis für Streptomyces (Video)

Viele weitere spannende Informationen unter http://www.mikrobe-des-jahres.de/

Ein für Mikrobiologen sehr schönes Plakat zum Download findet ihr unter unter http://www.mikrobe-des-jahres.de/content/files/Plakat-MdJ-2016.pdf

Über den folgenden Schülerwettbewerb zur Mikrobe des Jahres halte ich euch hier auch auf dem Laufenden.

Mit mikrobiellen Grüßen 🙂 !

 


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Das größte Bakterium der Welt – Thiomargarita namibiensis

Meet the Microbe 1/2016 – Thiomargarita namibiensis.

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Thiomargarita namibiensis. Image from Oceanus Online Magazine.

In Afrika leben nicht nur die größten Landtiere der Welt. Auch gigantische Bakterien kommen dort vor. Im Jahre 1997 wurde die „Schwefelperle von Namibia“ erstmals von einer internationalen Forschergruppe im namibischen Meeresboden entdeckt.

Gigant im Reich der Miniaturwesen

Briefmarke_Thiomargerita namibienis_

Briefmarke mit der „Schwefelperle von Namibia“ – Thiomargarita namibiensis © Quelle: Government of Namibia

In 100 Meter Tiefe entdeckte die damalige Bremer Diplombiologin Heide Schulz vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie an der namibischen Küste bis zu 0,75 mm große Exemplare der Kugelbakterien. Das ist etwa so groß wie ein Punkt hinter diesem Satz.

Völlig überraschend für die Mikrobiologen. Normalerweise sind Bakterien nur wenige tausendstel Millimeter groß und nicht mit bloßem Auge zu erkennen. Das hat auch einen guten Grund. Bakterien nehmen Nährstoffe aus ihrer wässrigen Umgebung nur durch passive Diffusion auf. Sie haben keinen Blutkreislauf oder ähnliche innere Transportsysteme. Große Bakterien würden auf Dauer einfach ‚verhungern‘.

Die monströse Schwefelperle ist damit mehr als 100 mal größer als normale Bakterien und bislang das größte bekannte Bakterium der Erde. Das hat ihr auch schon einige Prominenz eingebracht. So hat Thiomargarita es schon auf den „Science“-Titel, ins Guinness-Buch der Rekorde und zu einer eigenen Briefmarke gebracht.

 

Sagenhafte Größe und Speichertrick

Fünf hell leuchtende Thiomagerita Zellen neben einem menschlichen Haar_MPI Bremen

Hell leuchtende Thiomargarita Zellen neben einem menschlichen Haar Durchmesser von 0,1 mm).    © Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie/Schulz-Vogt

Wie auf einer Perlenkette aneinandergereiht werden bis zu 30 meist kugelförmige Thiomargarita –Zellen von einer farblosen Schleimhülle zusammengehalten. Jede Zelle ist ein eigenes Bakterium. Der kuriose Mikroorganismus erscheint „weißschimmernd“ laut des lateinischen Namens und war dadurch sehr auffällig auf dem grün-bläulichen Schlamm des Meeresbodens zu sehen.

Die leuchtendweiße Farbe entsteht durch Schwefeleinschlüsse. Die Bakterien ernähren sich von Schwefelverbindungen (Sulfiden), die im Sedimentschlamm der Meere vorkommen. Um den Schwefel verdauen zu können, brauchen sie dringend Sauerstoff oder Nitrate. Nitrate aber gibt es kaum in der Umgebung der Schwefelperlen. Nitratreiches Wasser gelangt nur alle paar Monate bei Stürmen oder durch aufsteigende Methanblasen für kurze Zeit in die Tiefen in der Thiomargarita lebt. Eine besondere Anpassung der Bakterien an diese Situation ist gleichzeitig der Grund für die ungewöhnliche Größe der Riesen.

Die Bakterien sind innen hohl. Im Inneren befindet sich eine riesige Vakuole. Und die wird für einen besonderen Speichertrick benutzt. Anders als Sauerstoff, der als Gas frei in Zellen hinein und hinaus diffundieren kann, wird Nitrat als geladenes Ion über die Zellmembran aktiv aufgenommen und kann in der Zelle festgehalten werden. Die Bakterien können so in den Vakuolen Nitrat lange hochkonzentriert speichern. Durch die Speicherung von Nitrat zur Atmung und Schwefel als Energiequelle sind die Riesen in der Lage, lange Zeit unter ungünstigen äußeren Bedingungen zu überleben.

Rolle im Phosphatkreislauf

Thiomargarita namibiensis spielt eine sehr wichtige Rolle für die Ökologie. Die Bakterien verwerten organische Substanzen im Meeressediment und können die Bildung von Gestein mit einem hohen Phoshorgehalt auslösen. Damit verringert sich letztendlich die Menge an Phosphat im Meer. Die Gesteinsbildung wirkt damit einer Überdüngung der Meere entgegen, da Phosphat den Lebewesen nicht mehr als Nährstoff zur Verfügung steht.

Weitere Riesenbakterien

Thiomargarita namibiensis ist übrigens nicht alleine. Es wurden ähnliche Bakterien auch in anderen sulfidreichen Meeresgebieten gefunden z.B. Thiopilula (Schwefelbällchen) oder Thiophysa (Schwefelblase) an der Küste von Chile oder Costa Rica.

 

Kommentare und Anregungen sind wie immer herzlich willkommen!

 

Quellen:

Schulz, H. N.; Brinkhoff, T.; Ferdelman, T. G.; Hernández Mariné, M.; Teske, A.; Jørgensen, B. B. Dense Population of a Giant Sulfur Bacterium in Namibian Shelf Sediments Science 284, 389-544 (1999)

Schulz, H. N.; Schulz, H. D. Large Sulfur Bacteria and the Formation of PhosphoriteScience 307, 416-418 (2005)

Brock, J.; Schulz-Vogt, H. N. Sulfide induces phosphate release from polyphosphate in cultures of a marine Beggiatoa strain The ISME Journal 5, 497-506 (2011)

 

 


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Conan, das Superbakterium

Credit: TEM of D. radiodurans acquired in the laboratory of Michael Daly, Uniformed Services University, Bethesda, MD, USA. http://www.usuhs.mil/pat/deinococcus/index_20.htm - Copy at en:Image:Deinococcus.jpg, uploaded by en:user:Statkit1, taken from www.ornl.gov/ORNLReview/v34 The Oak Ridge National Laboratory

Credit: TEM of D. radiodurans acquired in the laboratory of Michael Daly, Uniformed Services University, Bethesda, MD, USA. http://www.usuhs.mil/pat/deinococcus/index_20.htm

Meet the Microbe 11/2015 – Deinococcus radiodurans 

Das Superbakterium Deinococcus radiodurans wird im Guinness Book of World records als das „the world’s toughest bacterium“ gelistet. Und das aus gutem Grund.

Die Mikrobe ist das widerstandsfähigste Lebewesen auf der Erde. Säure, extrem kalte extrem oder heiße Temperaturen, Vakuum oder lange Trockenperioden machen ihr nichts aus. Besonders beeindruckend unter ihren Eigenschaften ist ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber radioaktiver Strahlung.

Daher wird sie von manchen Wissenschaftlern auch als „Conan das Bakterium“ bezeichnet, nach dem gleichnamigen Filmhelden Conan, der Barbar, der mehrfach dem fast unausweichlichen Tode entkommt.

Deinococcus überlebt ohne Übertreibung die 1.500 fache Dosis an radioaktiver Strahlung, die andere Organismen schon vernichten würde. Die Mikrobe verträgt nach dem US-Forscher Michael Daly eine Strahlenbelastung von bis zu 10.000 Gray. Bereits 6 Gray sind für einen Menschen tödlich. Dabei ist Gray die Maßeinheit der physikalischen Größe, welche die Wirkung von Strahlung ausdrückt.

Entdeckung in der Konserve

Das ungewöhnliche rote kokken-förmige Bakterium mit der damals unbekannten Resistenz gegen Ultraviolett- und Röntgenstrahlung wurde Ende der 1950er Jahre in einem landwirtschaftlichen Labor von Arthur W. Anderson entdeckt. Dort wurden Fleischkonserven mit hohen Dosen radioaktiver Gamma-Strahlung sterilisiert. Doch Deinococcus radiodurans wuchs und vermehrte sich fröhlich weiter. Dem wollte man auf den Grund gehen.

Bruchsicheres Erbmaterial

Welche biologischen Mechanismen schaffen eine solche Supermikrobe, die so widerstandsfähig gegen Strahlung ist? Zum einen hat das Bakterium eine sehr starke Zellwand, die es vor UV-Strahlung schützt. Das aber allein reicht natürlich noch nicht.

Der Mikroorganismus hat besondere Reparaturmechanismen, um sein Erbgut, also seine DNA, außergewöhnlich gut und schnell zu reparieren, wenn durch die Einwirkung von radioaktiver Strahlung z.B. Brüche entstanden sind. Also eine Art zerstörungssichere DNA. Die Reparatur wird durch bestimmte Enzyme übernommen, die die DNA oder die Chromosomen schnell wieder instandsetzen. Sogar Doppelbrüche können schnell repariert werden. Deinococcus ist von der ganz schnellen Truppe und kann 500 solcher Reparaturen in derselben Zeit durchführen, in der das Darmbakterium E. coli etwa 2-3 schafft.

Eine weitere clevere Strategie ist die Organisation der DNA bei Deinococcus in einer besonderen ringförmigen Struktur, einem „Toroid“. Diese hindert die Bruchstücke nach der Schädigung durch die Strahlung daran, von der Zellflüssigkeit weggeschwemmt zu werden. Das Erbmaterial wird trotz der Brüche am Platz gehalten, ähnlich wie bei einer bruchsicheren Verbundglasscheibe beim Auto und das Puzzle kann später schneller zusammengesetzt werden (Science-Studie von Smadar Levin-Zaidman vom Weizmann-Institut in Rehovot). Das Bakterium verliert damit keine Information.

Schließlich wird noch ein weiterer Trick genutzt. Ein doppelter Korrekturdurchlauf als Selbstreparaturmechanismus. Es liegen vier bis zehn Kopien des Genoms vor. Diese werden als Vorlage für einen zweiten Durchlauf genutzt, der Fehler in der anderen Kopie ausgleicht. Nur am Rande: Beobachtet wurde ein ähnlicher Reparaturmechanismus z.B. nur bei der männlichen Spermienzelle des Menschen, der eine ähnlich ringförmige DNA-Struktur aufweist, als Schutz vor radioaktiver Strahlung.

Science fiction oder Anpassung?

Das wirft gleich die nächste Frage auf. Warum verfügt eine Mikrobe auf der Erde über diese extremen Fähigkeiten im Umgang mit radioaktiver Strahlung? Welcher Evolutionsdruck hat dafür gesorgt, dass sich dieser „echte Held“ unter den Mikroorganismen entwickelte, obwohl nirgendwo auf der Erde diese Bedingungen anhaltend vorherrschen. Science fiction- Szenarien von unterirdischem Höhlen voller Radium oder unterirdische Kernreaktoren längst vergangener Zivilisationen natürlich sowieso ausgenommen.

Deinococcus Radiodurans auf Agarplatte (courtesy Science.nasa.org)

Deinococcus radiodurans auf Agarplatte
(courtesy Science.nasa.org)

Am wahrscheinlichsten ist eine Anpassung an Wassermangel. Denn extreme Austrocknung setzt die DNA unter ähnlichen Stress wie Strahlung. So ist es eher eine Anpassung der Spezies, schon vor langer Zeit, an sehr trockene Umgebungen.

Das Genom des aus mehr als drei Millionen Basenpaaren bestehenden Mikroorganismus wurde von Wissenschaftlern vom Institute for Genomic Research (TIGR) im November 1999 sequenziert. Dabei wurden bereits erste Hinweise gefunden, die zur Fähigkeit beitragen, unter Bedingungen der Nahrungsknappheit und des oxidativen Stresses große Schädigungen der DNA zu überleben.

Generalist und Weltenbummler

Wo ist das natürliche Habitat der Mikrobe Deinococcus? Die Bakterien können zusammen mit einer bestimmten Gattung von Cyanobakterien unter härtesten Lebensbedingungen leben. Man bezeichnet sie daher auch als „Extremophile“ in diesem Fall sogar als „poly-extremophil“.
Sie kommen eher sehr unwirtlichen Gegenden vor, wie im Lama-Elefanten-Kot, auf Fischen oder Enten, im radioaktiven Abfall oder in antarktischen trockenen Tälern vor. Die Bakterien finden auch an den lebensfeindlichsten Orten noch eine ökologische Nische und sind überall vertreten, auch in Kühlwasserkreisläufen von Atomreaktoren oder im Darm von Menschen.

Abgewanderte Marsmikrobe?

Der Überlebenskünstler Deinococcus ist natürlich von großem Interesse für die Astrobiologie und ein ganz heißer Kandidat für die Suche nach Leben im Weltall. Welche Organismen könnten sonst die Reise in einem Meteoriten durch den Weltraum überstehen, als solche die sehr widerstandsfähig gegenüber Strahlung und Vakuum sind.

Das stützt auch die These der Panspermie, die besagt, dass einfache Lebensformen in der Lage sind, sich über große Distanzen durch das Universum zu bewegen. Einige könnten vor etwa 3,5 Milliarden Jahren den Weg gefunden haben und den Ursprung des Lebens auf der Erde begründet haben. In diesem Zusammenhang stellten Forscher 2002 im New Scientist die These auf, dass es sich bei Deinococcus radiodurans um eine abgewanderte Marsmikrobe handelt. NASA- Wissenschaftler hielten zuvor schon ein anderes Modell für möglich: eine uralte Mikrobe landet mit einem Meteor auf unserem roten Planeten wurde Basis des Lebens darauf.

Wahrscheinlich stimmt diese These nicht, aber eine geheimnisvolle Vergangenheit steht auch Conan, dem Bakterium für sein Marketing sehr gut.

Datenspeicher für die Zukunft

Als Datenspeicher für die Ewigkeit sind CD, Festplatte oder Papier nicht geeignet. Die besonders widerstandsfähigen Bakterien sind also auch als überdauernder Informationsträger interessant. Die Daten können in Form von künstlicher DNA in den Bakterien gespeichert und später wieder abgerufen werden. US- amerikanische Wissenschaftler haben zum Beispiel den Text des englischen Kinderliedes „It’s a Small World“ in den genetischen Code aus den vier Basen der DNS übersetzt und diese Sequenz in das Erbgut der Bakterien eingeschleust.

It’s a small world after all

It’s a small world after all

It’s a small world after all

It’s a small, small world

Disney – It’s A Small World Lyrics | MetroLyrics

Noch nach etwa 100 Bakteriengenerationen ließen sich die Sequenzen wieder auslesen. Die eingebrachte Information wurde als stabil abgespeichert und zusätzlich noch vermehrt durch die Vervielfältigung der Bakterien.

Kleiner Nachteil dabei: man kann leider nur sehr wenig Information abspeichern. Die Daten für den kurzen Liedtext mussten in vielen Bakterienspeichern abgelegt und nach dem Auslesen wieder in die richtige Reihenfolge gebracht werden. Also etwas mühselig für die Nachrichtenübermittlung an unsere zukünftigen Generationen im Vergleich zu den üblichen Datenspeichern.

Retter für die biologische Sanierung

Bei der Herstellung von Atomwaffen entsteht radioaktiver Giftmüll, der schwer zu entsorgen ist. Zwar existieren Mikroben, die z.B. Uran fressen wie Geobacter metallireducens, der aber verträgt die radioaktive Strahlung nicht gut. Hier könnte nun Deinococcus der Retter sein.

Leider ist das Bakterium zwar strahlungsresistent, aber findet wiederum den Giftmüll nicht „lecker“, verwertet ihn also nicht. Damit ist es als Entseuchungshelfer nicht gut einsetzbar. Es sei denn man schleust Gene aus den giftmüllfressenden Supermikroben in Deinococcus ein. Das wäre eine sehr elegante Lösung für ein kompliziertes und durch uns Menschen selbst gemachtes Problem.

Fallen Dir noch weitere interessante Fakten zu Deinococcus ein?

Dann freue ich mich über einen Kommentar von Dir!

Quellen:

„Ringlike Structure of the Deinococcus radiodurans Genome: A Key to Radioresistance?“ in „Science“ (Bd. 299, S. 254) erschienen.

Kim, J.I. & Cox, M.M. The RecA proteins of Deinococcus radiodurans and Escherichia coli promote DNA strand exchange via inverse pathways. Proc Natl Acad Sci USA 99, 7917-7921 (June 11, 2002)

Makarova, K.S. et al. Genome of the extremely radiation-resistant bacterium Deinococcus radiodurans viewed from the perspective of comparative genomics. Microb Mol Biol Rev 65, 44-79 (March 2001).

Brim, H. et al. Engineering Deinococcus radiodurans for metal remediation in radioactive mixed waste environments. Nat Biotechnol 18, 85-95 (January 2000).

White, O. et al. Genome sequence of the radioresistant bacterium Deinococcus radiodurans R1. Science 286, 1571-1577 (November 19, 1999).

Kleine Wunderwerke. Die unsichtbare Macht der Mikroben. Idan Ben-Barak. Spektrum Akademischer Verlag 2010