Mikrobenzirkus

Gesund mit Mikroben leben


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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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Das stärkste Lebewesen der Erde ist das Tripper-Bakterium

Mikrobe des Monats April 2017 #mikrobenstorys

Der stärkste Organismus der Erde ist keine Ameise und auch kein riesenhaftes Tier wie ein Wal oder ein Elefant. Es ist ganz schlicht eine Mikrobe – aber eine sehr rekordverdächtige: Neisseria gonorrhoeae. Der kleine Kraftprotz ist der Erreger der Geschlechtskrankheit Gonorrhöe, im Volksmund auch als Tripper bezeichnet.

Dabei ist Größe nicht alles. Die Mikrobe kann mit ihren fädigen Fingerchen (Pili) eine Kraft aufbringen, die dem Hundertausendfachen ihres Eigengewichts entspricht.

Zum Vergleich: Ein 70 Kilogramm schwerer Mensch müsste das Gewicht von 7000 Tonnen bewegen. Michael Sheetz und sein Team von der Columbia University in New York (USA) fanden 2008 ( Journal „PloS Biology“) heraus, dass Tripper-Bakterien ihre Pili nicht nur einzeln nutzen, sondern sie bündeln und damit diese ungeheuren Kräfte entfalten. Ihre Mega-Kräfte konnten sie über volle sieben Stunden aufrecht erhalten.

Die Pili der Bakterien sind etwa zehn Mal länger als das Bakterium selbst und dienen dazu, sich an menschliche Zellen anzuheften. Die Proteine für das Zusammenziehen und Bündeln der Anhängsel zählen damit zu den stärksten bislang beobachteten biologischen Motoren.

Die athletische Hochleistung blieb Wissenschaftlern lange verborgen, da Bakterienkulturen meist eine Substanz zugegeben wird, die ein Bündeln der Pili verhindert, so die Forscher.


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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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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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Schimmelpilze als mikrobielle Bioböller

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Pilobus spec. ein Kot-liebender Schimmelpilz, der seine Sporen bis zu 2,5 Meter weit schießt (Bildquelle:  Wikimedia Commons)

 

Meet the Microbe 12/2015 – Ascobolus immersus, Pilobolus kleinii und Gibberella zeae

Der Jahreswechsel wird mit der üblichen Silvesterknallerei begangen. Seit Tagen rüsten sich die Hobbyfeuerwerker in den Verkaufsstellen mit diversen Raketen und anderen Flugkörpern aus. Aber es gibt auch eine biologische Alternative und damit meine ich nicht die Bioböller aus den 90er Jahren, die sich mangels Qualm und Knall nicht zum Verkaufsschlager entwickelt haben.

Nein, es geht um eine echte Alternative für Mikrobiologen. Ein besonderes Feuerwerk – und nur unter dem Mikroskop zu beobachten! Ohne Ohrensausen aber mit Spezialeffekten…

Die Protagonisten sind die Pilze Ascobolus immersus, Pilobolus kleinii und Gibberella zeae. Die ersten beiden sind kleine Jochpilze mit einer Vorliebe für Kuh-Dung. Die Schimmelpilze wachsen auf dem Mist von Kühen und anderen Pflanzenfressern, den sie zersetzen. Und damit haben sie ein großes Problem. Um von ihrem Kuhfladen wieder herunterzukommen, müssen sie ihre Sporen weit weg schleudern. Die Sporen landen optimalerweise auf grünem Gras, welches wiederum von Kühen gefressen wird.

Aber Kühe fressen verständlicherweise ungern neben ihren Exkrementen. Also haben die Pilze für die Verbreitung ihrer Sporen einen besonderen Trick entwickelt, um größere Entfernungen zu überwinden. Sie verschießen ihre Sporen mit Druck, teilweise  mit dem 180.000fachen der Erdbeschleunigung (Ascobolus immersus). Daneben sehen sogar Formel-1-Autos wie Schnecken aus.

Wie mikroskopisch kleine Katapulte oder Wasserpistolen feuert auch Pilobolus seine Sporen in Richtung des Sonnenlichtes durch die Luft. Dazu verfügen die Pilze über ein effektives Photorezeptor-System. Die Sporen können bis zu 25 Meter pro Sekunde (90 Km/h) erreichen. Die Kraft des Pilzes ist beeindruckend. Amerikanische Wissenschaftler haben es mit Ultrahochgeschwindigkeitskameras aufgezeichnet. Diese Pilzsporen gehören wohl zu den schnellsten Flugobjekten der belebten Natur. Treibende Kraft der pilzlichen Kanoniere ist ein enormer osmotischer Druck, der sich  im Fruchtkörper aufbaut.

Die Technik des Pilzes Pilobolus ist hier im Video als mikrobielles Feuerwerk zu bewundern – untermalt vom Amboss-Chor aus der Verdi-Oper Troubadour.

 

Ungeschlagener Rekordhalter ist aber der Maispilz Gibberella zeae. Der Getreideschädling ist wohl der stärkste Bioböller der Erde. Er schießt mit bis zu 870.000facher Erdbeschleunigung seine Sporen aus dem Fruchtkörper. Mit bis zu 130 km/Stunde können die Sporen durch die Luft fliegen. Aber die schnellsten Pilzgeschosse fliegen nicht am weitesten. Sie landen schon nach 5 Millimetern. Da muss keiner um seine Gesundheit fürchten. Aufgrund ihrer geringen Masse werden die Sporen vom Luftwiderstand rasch gestoppt.

 

In diesem Sinne.

Einen guten Rutsch und auf alle guten Dinge, die uns 2016 erwarten!

Ich freue mich über Eure Kommentare!

 

Quellen:

Trail et al. Ejection mechanics and trajectory of the ascospores of Gibberella zeae (anamorph Fuarium graminearum). Fungal Genet Biol. 2005 Jun;42(6):528-33.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15878295

Levi Yafetto et al. The Fastest Flights in Nature: High-Speed Spore Discharge Mechanisms among Fungi, 2008, DOI: 10.1371/journal.pone.0003237

http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0003237

 


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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