Mikrobenzirkus wieder für den Wissenschaftsblog des Jahres 2022 nominiert!
Die Wahl zum Wissenschafts-Blog des Jahres 2022 läuft und auch mein Blog „Mikrobenzirkus“ wurde in Folge wieder nominiert, worüber ich mich sehr freue! Jetzt seid ihr für die Abstimmung gefragt! Schaut mal vorbei und stimmt ab, wenn ihr Zeit findet! Es sind auch viele andere Wissenschaftsblogs nominiert. Aber ich freue mich natürlich besonders über euren Haken!
Mit einem Klick auf das Logo geht es zur Abstimmung oder direkt HIER:
Jane Jott publiziert gereimte Bilderbücher für Kinder (Quelle: Jane Jott)
Mikrobiologinnen sind mir ja immer sehr sympathisch und wenn sie noch dazu so engagierte Autorinnen für eine gute Sache sind – sowieso. Deshalb möchte ich euch heute auf das Herzensprojekt der Mikrobiomforscherin Johanna Nelkner aufmerksam machen. Support unter mikrobiologischen Autorinnen sozusagen…J!
Am Telefon erzählt mir Johanna, dass sie unter dem Pseudonym Jane Ott schon länger gereimte Bilder-Sachbücher schreibt, zu denen sie ihre beiden kleinen Kinder inspiriert haben.
Hilfe gesucht für ein neues Herzensprojekt
Im neuen Bilderbuch „BAKTERIEN UND SO“ für 3-6-jährige Kinder, welches Johanna gerade realisieren möchte, geht es um die Lebensorte und Talente von Mikroben. Superschurken oder Superhelden?
„Bakterien und weitere Winzlinge leben überall, ob in superheißer oder eiskalter Umgebung, im tiefsten Ozean oder den höchsten Wolken, auch in uns Menschen. Diese Mikroben haben so einige Talente: sie helfen Pflanzen beim Wachsen, können Gas und Strom produzieren, helfen bei der Verdauung und der Herstellung von Medikamenten, und pupsen die Löcher in den Käse. Das Bilderbuch “Bakterien und so, die leben wo?!” entführt euch und eure Kinder in diesen Mikrokosmos.“
Johanna hat ein Crowdfunding-Projekt auf Start Next gestartet, um eine Erstauflage von 200 liebevoll von Carlotta Klee illustrierten Bücher zu realisieren. Ihr könnt dieses Projekt unterstützen und zahlreiche tolle Dankeschöns von Jane Ott erhalten wie das „Spirit Mikroben Orakel“, gehäkelte Minimikroben, das Kita-Paket mit Experimentier-Ideen oder das Mikroben-Malbuch Bundle.
„Mir liegt besonders das „Kinderheld*in“ Dankeschön am Herzen“, sagte mir Johanna. „Das habe ich extra für Kindergärten und Grundschulen zusammengestellt. Da gibt es obendrauf eine Sammlung an Ideen für eine Projektwoche zum Thema Mikroben. Mit Experimentideen und Bastelideen, geeignet für Kinder ab drei Jahren.“
Mikrobe des Jahres 2022: Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae
S. cerevisiae mit Zellorganellen, Aufnahme: Mara Reifenrath, Frankfurt am Main, CC BY 4.0Backhefe, Aufnahme: Benedikt Westermann, CC BY4.0
Als am Anfang des Jahres die Sektkorken knallten, war schon die Mikrobe des Jahres 2022 beteiligt: Saccharomyces cerevisiae – die Bäckerhefe. Sie produziert neben Wein – der Grundlage von Sekt – und Bier auch solche Köstlichkeiten, wie Kuchen und Brot. Hefen sind winzige Einzeller und zählen daher zu den Mikroben, auch wenn sie – anders als Bakterien – einen Zellkern besitzen und damit zu den Eukaryoten gehören. So weit steht es in der Pressemitteilung der VAAM. So gut.
Ich dachte Anfang Januar 2022: „Prima, sehr schön – machst Du mal schnell einen Artikel für den Mikrobenzirkus draus.“ Und dann schrieb mir ein ehemaliger Kollege, der Hefe-Experte Andrey Yurkov vom benachbarten Leibniz-Institut DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen, dass er doch einige Bauchschmerzen mit der Berichterstattung hätte und sendete mir viele Links zu Literaturquellen. Das Problem: Hefe ist nicht gleich Hefe. Das wird wohl doch etwas komplizierter, dachte ich. So etwas liegt dann erfahrungsgemäß vorsichtshalber in meiner Zettelbox „nochmal gut“ ab. Bis jetzt. Am besten frage ich also für euch direkt beim Experten nach.
Also auf einen halben virtuellen Sekt (denn ich muss ja noch schreiben) mit dem Hefeexperten Dr. Andrey Yurkov, Bioresources for Bioeconomy and Health Research, am Leibniz-Institut DSMZ Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen.
Lieber Andrey, hast Du Dich über die Wahl von Saccharomyces cerevisiae zur Mikrobe des Jahres 2022 gefreut und wo siehst Du die wichtigste Bedeutung dieser Art?
Ja, natürlich habe ich mich sehr gefreut. Hefen als meine Forschungsobjekte sind ganz besondere Mikroorganismen und sehr eng mit unserer menschlichen Kulturgeschichte verbunden. Sie sind wahrscheinlich unsere „ersten Haustiere“ – also die ersten domestizierten Mikroorganismen. Die Vielfalt der Anwendungen erforderte den Einsatz verschiedener Hefen in den Prozessen oder Produkten, seien es Bier, Wein, Sauerteig, Kombucha oder Kefir. Neben der bekanntesten Art, Saccharomyces cerevisiae, haben Menschen schon vor 2,000 Jahren ein Dutzend Hefen erfolgreich domestiziert. Die Hefefermentation nutzen die Menschen seit Jahrtausenden: Schon bei den alten Ägyptern war eine Art Bier beliebt. Der Einsatz von Saccharomyces in den diversen Anwendungen hat dann die Evolution dieser Hefe vorangetrieben. Es gibt sozusagen drei große Hefe-Gruppen, die viele domestizierte Saccharomyces cerevisiae-Stämme umfassen – Bier, Wein und Brot.
Der lateinische Name bedeutet „Zuckerpilz des Bieres“ und deutet darauf hin, dass die Mikrobe ein großer Braumeister ist, obwohl sie so winzig ist, dass zehn ihrer Zellen gestapelt gerade mal die Dicke von Papier erreichen. Sichtbar wurde die Brauhefe erst mit der Erfindung des Lichtmikroskops im Jahre 1680. Es dauerte nochmals 200 Jahre bis Theodor Schwann und Louis Pasteur lebende Hefezellen als Ursache für die alkoholische Gärung erkannte. Schwann hat der Hefe auch ihren Namen Zuckerpilz gegeben. In der Natur ernähren sich Hefen von Zuckerverbindungen. Sie bauen Glukose oder Fruktose zu Kohlendioxid (CO2) und dem Alkohol Ethanol ab. Der Alkohol verschafft der Hefe gleichzeitig einen Vorteil: Er tötet konkurrierende Mikroorganismen ab, kann aber auch die Hefe als Zellgift irgendwann selbst töten (so entsteht der Trockenwein). Fermentierte Getränke und Lebensmitteln sind sozusagen eine alte Technik der Lebensmittelkonservierung.
Aber welche Rolle spielt Sacharcomyces cereviseae denn nun beim Brotbacken?
Beim Brotbacken sorgt die „Bäckerhefe“ für das nötige Backtriebmittel. Die einzelligen Hefepilze verteilen sich beim Kneten im Teig und produzieren Kohlendioxid-Bläschen aus den verknüpften Zuckern des Mehls (Kohlenhydrate). Das lässt den Hefeteig locker werden – er geht auf. Bäckereien, Brauereien etc. verwenden oft eine Vielzahl unterschiedlicher Hefestämme und- arten. Die Rezepturen sind häufig gut gehütete Betriebsgeheimnisse. Im Sauerteig der zum Brotbacken genutzt wird, unterstützen. z.B. auch noch Milchsäurebakterien die Hefen der Gattung Kazachstania.
Was macht Saccharomyces zum begehrten Modellorganismus und zur „Zellfabrik“ für die Industrie?
Saccharomyces cerevisiae war der erste eukaryotische Organismus mit einem vollständig sequenzierten Genom. Am Modellorganismus kann man somit wunderbar den grundlegenden Aufbau und die Funktion eukaryotischer Zellen untersuchen, denn Hefezellen sind damit ähnlich aufgebaut, wie menschliche Zellen.
Heute gibt es sogar Stammsammlungen, in denen jedes einzelne der ca. 6300 Hefegene veränderbar ist. In 2014 wurde das erste synthetische eukaryotische Chromosom in einer Saccharomyces cerevisiae-Zelle zusammengesetzt, und das erste synthetische Hefegenom ist auf dem Weg.
Das weckt natürlich die Kreativität der Biotechnologen und Genetiker. Hefezellen dienen als „zelluläre Fabrik“. Das ist vor allem für Diabetiker interessant. Denn in das Hefegenom wurde das menschliche Insulingen eingepflanzt, sodass dieser kleine Organismus einen Großteil des menschlichen Hormons für die Insulin-Diabetestherapie produziert.
Der Malaria-Wirkstoff Artemisin, der im Jahre 2015 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, wird beispielsweise durcheine elegante „Umleitung“ des Hefestoffwechsels hergestellt. Interessanterweise ist der Prozess auch die Ausgangsbasis, um den chemisch verwandten Ersatz-Flugzeugkraftstoff Farnesen herzustellen.
Einige Forscher bauen auch Gene aus Pilzen und Bakterien in Hefegenome ein und versetzen sie so in die Lage, natürliche Zucker aus Holz (Xylose) in Ethanol umzuwandeln. Damit können pflanzliche Abfallstoffe heute als Rohstoff und Energiequelle dienen. Heutzutage gewinnt man aber auch Bioethanol aus mit Hefen, die schon ohne eine genetische Veränderung die Xylose fermentieren können (sogenannte aka xylose-fementing yeasts) z.B. Scheffersomyces ehemals Pichia stipitis und Candida shehatae. Auch die Gene werden immer häufiger in Saccharomyces cerevisiae kloniert.
Veränderte Hefezellen können auch Bernsteinsäure herstellen, einen Baustein zur industriellen Herstellung von Polyester. Beeindruckend ist auch die Fähigkeit von Hefen als Eukaryoten, die in ihren membranumschlossenen Organellen eine Trennung verschiedener biochemischer Prozesse erlauben. Damit lassen sich sogar giftige Zwischenstufen innerhalb einer Zelle abtrennen. Das nutzten Forschende gerade erfolgreich, um Enzyme für eine Vorstufe von Nylon in bläschenartige Vesikel zu packen.
Warum ist denn nun die Systematik und Taxonomie so kompliziert bei Hefen? Wie macht ihr das an der DSMZ?
Andrey: „Die Namensgebung ist schon sehr essenziell, um die Eigenschaften von Pilzen zu kommunizieren, um auch Krankheitserreger zu benennen. Wie bei anderen Pilzen ist aber nur ein ganz geringer Teil der gesamten Artenvielfalt bekannt (geschätzt ca. 10 Prozent) und die Forschung steht vor der Herausforderung, die enorme Pilzvielfalt korrekt zu katalogisieren“.,
Gib dem Kind den richtigen Namen! Das grundsätzliche Problem steht also gleich am Anfang: Mikrobiologen und Biotechnologen unterscheiden Hefen oft nicht in Arten und Gattungen. Viele sehen Hefen als eine Gruppe von sehr eng verwandten Organismen und da liegen sie vollkommen falsch. Auch bei echten Hefen liegen zwischen Arten mal locker circa 400 Millionen Jahre Evolution. Das entspricht einem Zeitfenster von Menschen und Fischen. Andere Gruppen von Hefen sind enger mit Rostpilzen, Brandpilzen oder Zitterlinge verwandt, als mit Saccharomyces. Das zeigt deutlich die taxonomische Komplexität von Hefen.
Die derzeit 2000 bekannten Hefearten werden jährlich um etwa 50 neue Arte ergänzt. Neben der Gattung Saccharomyces, darunter die Bäckerhefe – unserer Mikrobe des Jahres 2022 – wurden schon seit dem 19. Jahrhundert basierend auf Morphologie und Wachstumstest weitere Hefegattungen beschrieben, darunter z.B. Pichia, Saccharomycodes, Saccharomycopsis und Zygosaccharomyces. Weitere Arten führen bis ins 19. Jahrhundert zurück, darunter z.B. humanpathogene Candida albicans, Cryptococcus neoformans, Malassezia furfur und Trichosporon ovoides.
Andrey: „In den letzten Jahren haben sich zudem die Identifizierungsmethoden für Hefe grundlegend verändert. Um eine zuverlässige Artbestimmung und eine realistische, auf Verwandtschaftsverhältnissen basierende Systematik zu erreichen, werden Wachstumstests und biochemische Analysen mit komplexen molekulargenetische Untersuchungen und immer öfter bei der Sequenzierung gesamter Genome begleitet.“
Das hatte Folgen: Eine breitere Anwendung der DNA-Sequenzierung führte zu neuen Ansichten zur Systematik von Hefen und als Konsequenz zu großen Neuklassifizierungen und Umbenennungen.
Andrey: „Dazu sollte man einmal Art und Gattung für Hefen definieren, das ist ja auch nicht jedem so geläufig: Arten sind Gruppen von Organismen, die sich anhand von quantifizierbaren Merkmalen oder anhand ihres Verhaltens voneinander unterscheiden lassen. Die Gattung dagegen steht oberhalb der Art und unterhalb der Familie. Eine Gattung kann eine einzige Art enthalten oder eine beliebige Anzahl von Arten. Und bei den Hefen ist diese ganze Systematik wohl etwas facettenreicher. Es ist dabei sehr wichtig, ein stabiles System zu entwickeln und die Gattungen auf eng verwandte Arten zu begrenzen, um bekannte Eigenschaften (z.B. antimykotische Medikamentenresistenz oder charakteristische Stoffwechselwege) anhand des Namens zu erkennen. Auch wenn es nicht immer sofort ersichtlich ist: Wissenschaftliche Namen vermitteln wichtige Informationen zu Verwandtschaft und Eigenschaften von Arten.
Na dann Prost, lieber Andrey! Vielen Dank für das Gespräch. Ich habe heute viel Neues gelernt!
Eines ist sicher: Sollten die Mikroorganismen irgendwann mal eine Image-Kampagne für die positiven Seiten ihrer Existenz starten- abseits ihrer Rolle als Krankheitserreger – dann wären die Hefen als Stars für Sekt, Brot, Wein und andere kulinarische Köstlichkeiten ganz vorn dabei.
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Wer sich für die Sommerferien auch etwas mikrobiologische Lektüre vornehmen oder verschenken will, dem empfehle ich zwei sehr gut gemachte Jugendsachbücher, die nicht nur für ganz junge Leser*innen interessant sind.
1. „Superstarke Bakterien“ von Steve Mould
Gewinner: Jugendsachbuchpreis 2018 Lesealter 7-99 Jahre. Bei Antolin.de verfügbar
YouTube-Star Steve Mould – selbst wissenschaftlicher Experte – gibt eine Einführung in die spannende Welt der Bakterien, Viren & Co – mit einem tollem Neon-Cover. Praktische Alltagsbeispiele beantworten viele Fragen über Mikroorganismen – zum Beispiel wie Schimmelpilze entstehen oder warum Grippeviren ansteckend sind. Was lebt eigentlich in Deinem Körper? Dabei wird naturwissenschaftliches Sachwissen mit witzigen Comic-Illustrationen kinderleicht, anschaulich und unterhaltsam präsentiert. Auf Mikrofotografien können die Nachwuchsforscher*innen sogar selbst einen Blick durchs Mikroskop werfen. Die Mikroorganismen sind mit bloßem Auge kaum zu sehen, trotzdem schlummern in ihnen echte Superkräfte. Bakterien, Viren, Pilze oder Algen sind außerdem nützliche Helfer, die wir für das Leben auf der Erde brauchen.
Mikrobenzirkus-Fazit: Leseempfehlung! Mir gefällt besonders, dass Steve Mould auf Basis naturwissenschaftlicher Grundlagen der Mikrobiologie mit dem Mythos aufräumt, dass Bakterien nur schädlich sind und krankmachen würden. Das passt perfekt zum Mikrobenzirkus-Blog. Schließlich ist überwiegend das Gegenteil der Fall: Mikroorganismen unterstützen unseren Körper, ohne Mikroben gäbe es weder Käse noch Joghurt oder Brot und selbst Medizin wird aus Bakterien hergestellt. Mould lädt ein, sich auf eine spielerische Art mit Biologie zu beschäftigen und selbst auf Entdeckungsreise zu gehen. Das Buch hat auch ein Glossar.
2. „Die spannende Welt der Viren und Bakterien“ von Karsten Brensing und Katrin Linke
Lesealter 9-99 Jahre
Dieses sehr aktuelle Buch ist im Januar 2021 erschienen und deckt schon viele Fragen zur Corona-Pandemie ab – auf leicht verständlichem Niveau. Es geht zum Beispiel um die Übertragungswege von Viren und Bakterien, Aufbau von einzelligen Pilzen. Dem folgt eine kleine Zeitreise durch die Entdeckungsgeschichte von Krankheitserregern und wie man sie bekämpfen kann. Damit sind wir schnell bei den Begriffen Pandemie, Hygiene, Immunsystem und Impfungen. Alles wird sehr gut erklärt und mit witzigen Zeichnungen untermalt. Auch das Thema Mikrobiom wird nicht ausgespart und balanziert das Image der Mikroben wieder in die gute Mitte. das Buch komplettiert ein Glossar und Literaturempfehlungen für Lehrer und Lehrerinnen.
Mikrobenzirkus-Fazit: Absolute Lesempfehlung! Das Buch ist aber im Alter definitiv etwas höher und mit mehr Hintergrundwissen anzusetzen als „Superstarke Bakterien“ von Steve Mould, der die Infos noch kürzer, einfacher und knackiger verpackt. Der Vorteil der längeren Texte hier im Buch ist aber, dass komplizierte Sachverhalte besser ausgeführt werden können. Infokästen, kleine Experimente und schöne Vergleiche tragen zum sehr guten Verständnis bei. Ein Geschenktipp auch für die Großeltern oder andere erwachsene Nichtbiologen!
Prominente Empfehlungen:
„Was für ein tolles Buch! Ein Riesenaufwand für ein Kinderbuch – und es hat sich gelohnt.“
Prof. Christian Drosten, Charité Berlin
„Ein Kinderbuch auf faszinierend hohem Niveau. Egal was man schon weiß – nach dem Lesen dieses Buches weiß man mehr.“
Dr. med Ernst Tabori, Direktor Deutsches Beratungszentrum für Hygiene
Gastartikel von Dr. Elisabeth Zelle (Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Bio- und Geowissenschaften)
Bildquelle (Pixaby, Forschungszentrum Jülich: Corynebacterium glutamicum und P. chrysogenum (Gießkannenschimmel wie A. niger)
Schon lange stehen Mikroorganismen im Dienste der Menschheit, helfen uns bei der Herstellung von Wein, Bier, Brot, Käse und vielem mehr. Auch bei der Produktion von Medikamenten wird vielfach auf Mikroorganismen zurückgegriffen. Man denke zum Beispiel an Penicilline und Insulin. Die Palette biotechnologisch hergestellter Produkte wächst stetig. Doch was sind eigentlich die wirklich großvolumigen Produkte der industriellen Biotechnologie – sozusagen die Big Five der weißen Biotechnologie? Mit welchen Mikroorganismen erzielt man die Weltproduktion von Millionen von Tonnen biotechnologischer Produkte? Zu den bedeutendsten Produkten gehören Ethanol, Glutamat oder Zitronensäure. Die Liste an Produkten, von denen jährlich mehr als 10.000 Tonnen produziert werden, umfasst zudem Essigsäure, Amylase und noch einige mehr. Jedes dieser Produkte hat seine eigene bakterielle Zellfabrik, also einen Mikroorganismus, der auf die Herstellung optimiert ist.
Angeführt wird die Liste dieser Zellfabriken von Saccharomyces cerevisiae. Umgangssprachlich als Bäckerhefe bekannt, wird sie schon seit Jahrtausenden (anfangs unwissentlich) zum Brauen und Backen verwendet. Mittlerweile ist S. cerevisiae auch verantwortlich für das mengenmäßig mit Abstand größte Produkt aus biotechnologischer Herstellung – Bioethanol. Die Hefe produziert pro Jahr nicht weniger als 71 Millionen Tonnen Ethanol weltweit. Es gibt vornehmlich drei Gründe für diese herausragende Leistung: die hohe Zucker- und Ethanol-Toleranz, die hohe Ausbeute und die Temperatur- und pH-Toleranz, die eine hohe Robustheit des industriellen Prozesses ermöglichen. Mengenmäßig gesehen ist der Vorsprung vom S. cerevisiae vor den anderen vier groß.
Auf Platz 2 kommt Corynebacterium glutamicum als Leistungsträger bei der industriellen Produktion von Aminosäuren, allen voran Glutaminsäure (3.3 Millionen Tonnen pro Jahr) und Lysin (2.2 Millionen Tonnen pro Jahr). Das Bodenbakterium wurde 1957 in Japan als natürlicher Glutaminsäure-Produzent entdeckt und ist mittlerweile ein echter Allrounder. C. glutamicum wird heute für die umweltschonende biotechnologische Herstellung von Produkten im Wert von jährlich mehreren Milliarden Euro pro Jahr eingesetzt – Tendenz steigend.
Die nächste Zellfabrik auf der Bestenliste ist ein Pilz. Der Schimmelpilz Aspergillus niger belegt Platz 3, als gewinnbringender Produzent von Zitronensäure. Zitronensäure steckt nicht nur in Limonaden. Neben der Aromatisierung von Getränken, Süßigkeiten und Badezusätzen kann sie auch als Säurungsmittel, Antioxidans, Konservierungsmittel und Reinigungsmittel verwendet werden – also ein äußerst vielseitiger Haushaltshelfer. Während die Substanz früher aus Zitrusfrüchten gewonnen wurde, stammt mittlerweile die gesamte Weltproduktion aus einem Verfahren, für das der Schimmelpilz Aspergillus niger genutzt wird.
Platz 4
Essigsäurebakterien Quelle: Spektrum
Viele Herstellungsverfahren wurden lange vor der Entdeckung von Mikroorganismen oder dem Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse angewandt – zu ihnen gehört die Essigsäure, genauer gesagt biogene Essigsäure. Essig ist als Genuss-, Würz- und Putzmittel ein Universalhelfer in Küche, Bad und Garten. Die Oxidation von Ethanol zu Essigsäure ist – abgesehen von der alkoholischen Gärung – eine der ältesten Anwendungen eines biotechnischen Verfahrens. Schon von Anfang ankamen Essigsäurebakterien wie z.B. Acetobacter europaeus, A. aceti oder Gluconobacter oxydans als Erzeuger von Essigsäure zum Einsatz. Es handelt sich also um eine überaus ertragreiche Verbindung der Plätze 1 (Ethanol) + 3 (gleicher Einsatzort). Jährlich werden ungefähr 0.2 Millionen Tonnen biogener Essigsäure produziert, woraus wiederum mehrere Milliarden Liter Essig hergestellt werden.
Zu guter Letzt gehört zur bunten Belegschaft der fünf mengenmäßig bedeutsamsten Mikroorganismen der industriellen Biotechnologie noch Bacillus licheniformis. Wenn es darum geht, schmutzige Wäsche zu waschen, dann kommt man an Enzymen – u.a. Amylasen und Lipasen, welche von B. licheniformis produziert werden – nicht vorbei. In Waschmitteln bauen solche Enzyme Schmutzreste ab und bescheren uns eine saubere Weste. Da u.a. dank des Einsatzes solcher Enzyme die Waschmittelmenge pro Waschgang stark reduziert werden konnte, fällt die Jahresproduktion mit etwas über einer Kilotonne vergleichsweise gering aus. Doch Masse ist nicht alles.
Abseits der Massenproduktion kümmert sich die Biotechnologie auch um äußerst hochwertige Produkte, z. B. Pharmaprodukte. In der Pharma-Industrie ist Menge nicht gleich Nutzen. Noch vor wenigen Jahrzehnten gab es für bestimmte Krankheiten (z.B. die Bluterkrankheit) keinerlei Medikamente. Der Blutgerinnungsfaktor Faktor 8 hilft 400.000 Menschen weltweit trotz ihrer Krankheit ein aktives Leben zu führen. Obwohl jährlich über 60 Millionen Injektionslösungen benötigt werden – also fast genauso viel wie die jährlich produzierten Ethanol-Tonnen – beläuft sich die Jahresproduktion auf nur wenige Hundert Gramm. Auch weniger als ein Pfund kann also milliardenschwer sein.
Das Angebotsspektrum der Biotechnologie ist groß und bunt. Je nachdem um welchen Zweig der Biotechnologie es geht, variieren auch die Anforderungen. Während manche Mikroorganismen Allround-Talente sind, zeichnen sich andere nur in bestimmten Bereichen aus. Das ist auch der Grund warum ein überaus bekannter Vertreter „fehlt“ – Escherichia coli!E. coli verdankt seine Popularität mehr der wissenschaftlichen Forschung und der Pharma-Industrie (hier speziell die Insulin-Produktion), doch das ist eine andere (Erfolgs)Geschichte.
Habt ihr Fragen zum Artikel, dann schickt mir gern einen Kommentar und ich leite gern direkt an Dr. Elisabeth Zelle weiter.
Oder habt ihr sogar Lust bekommen, auch einen Mikroorganismus in einem Gastartikel im Mikrobenzirkus vorzustellen, mit dem ihr arbeitet – dann schickt mir gerne hier eine Nachricht,
Kleiner Helfer für Energiewende und Wasserreinigung
Methanothermobacter thermoautotrophicus im Elektronenmikroskop 30.000-fach vergrößert. Abb.: Andreas Klingl (CC.BY 4.0)
Als Mikrobe des Jahres wurde in diesem Jahr Methanothermobacter gewählt. Die Mikrobe produziert Biogas – und könnte damit einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten. Methanothermobacter und seine Verwandten tragen zudem zur Abwasserwasserreinigung bei und sichern damit unsere Trinkwasserversorgung. Ihre Aktivität in Böden, Gewässern und Nutztieren nimmt immer mehr zu und dies ist gleichzeitig eine Warnung vor menschengemachten Einflüssen auf das Klima. Diesen für die Umwelt und unser Klima so bedeutenden Mikroorganismus wählte die Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM) zur Mikrobe des Jahres 2021.
Manche mögen es heiß
Die Geschichte beginnt in einer Kläranlage in Urbana, Illinois, USA. Aus dem anaeroben Schlamm isolierten Gregory Zeikus und Ralph Wolfe 1972 diesen überraschenden Mikroorganismus, der Temperaturen um 65° Celsius bevorzugt und keinen Sauerstoff verträgt. Der hitzeliebende Methanothermobacter gehört zu den Archaeen – einzelligen, sehr ursprünglichen Lebewesen mit außergewöhnlichen Stoffwechselformen. Dabei ist Methanothermobacter äußerst genügsam: Er lebt nur von Wasserstoff (H2), Kohlenstoffdioxid (CO2) und wenigen Spurenelementen. Mit Hilfe von 200 Genen und nur in Sauerstofffreier Umgebung gewinnt er die für sein Wachstum nötige Energie und bildet dabei Methan (CH4). Das ist chemisch nichts anderes als Erdgas – nur eben biologisch produziert.
Biogas-Produzenten
Pilotanlage zur Herstellung von Methangas mit Hilfe von Methanothermobacter. Quelle: Electrochaea GmbH
Methanothermobacter kann zu erstaunlich hohen Zellkonzentrationen wachsen. Der Organismus wird daher bereits genutzt, um „grünes“ Methan im industriellen Maßstab herzustellen. Grundlage sind dabei Wasserstoff, der bei der elektrolytischen Spaltung von Wasser gewonnen wird, und im Überfluss vorhandenes CO2 aus Verbrennungs- und Industrieprozessen. Das bereits in ersten Produktionsanlagen angewandte Verfahren wird als „Power-to-Gas“ bezeichnet. Das gut speicherbare mikrobiell hergestellte Methan könnte einen wichtigen Schritt zu einer Energiewende darstellen, die von fossilen Rohstoffen unabhängig ist.
Sauberes Trinkwasser dank methanogener Mikroben
In Kläranlagen produzieren „faule“ Organismen wie Methanothermobacter Faulgase, darunter „Grünes“ Methan (CH4) @Czichos
In Kläranlagen werden jährlich riesige Abwassermengen gereinigt und dem Wasserkreislauf zugeführt, aus dem wir unser Trinkwasser gewinnen. Vor allem Mikroorganismen (Bakterien, Archaeen, Pilze und Protozoen) bauen organische Verunreinigungen (Proteine, Lipide, Zucker) zu einfachen Verbindungen ab und klären so unser Abwasser. Die letzte Abbaustufe findet im Faulturm statt, in dem Methanothermobacter und Verwandte leben. Sie bilden ein Faulgas aus Methan, CO2 sowie etwas H2 und In solchen Anlagen produziert Methanothermobacter „grünes“ Methan.
Warner des Klimawandels
Viel organischer Kohlenstoff ist zudem in Dauerfrostböden gebunden, in den Polargebieten und im Hochgebirge. Tauen sie durch die Klimaerwärmung auf, werden Mikroben aktiv und bauen biologisches Material ab. Das daraus freigesetzte Methan beschleunigt als starkes Klimagas in der Atmosphäre den Klimawandel. Noch verharrt etwa ein Viertel der Landfläche der Nordhalbkugel im Jahrtausende alten Permafrost; dort dürfte mehr Kohlenstoff gespeichert sein als in der Erdatmosphäre. Die vermehrte natürliche Aktivität von Methanothermobacter und ähnlichen Mikroben ist ein Warnsignal für unser Klima. Die zunehmende Freisetzung von Methan geht wesentlich auf menschliche Einflüsse zurück: So wird Methan nicht nur aus tauenden Permafrostböden frei, sondern auch aus Reisfeldern, Müllhalden sowie Magen und Darm massenhaft gehaltener Kühe, Ziegen und Schafe.)
In den spezialisierten Mägen der Wiederkäuer helfen Bakterien und Archaeen beim Verdau von Gräsern – und methanogene Mikroorganismen unterstützen dies unter Bildung von Methan. Damit trägt die intensive Weideviehzucht zur weltweit steigenden Produktion des Klimagases Methan bei. Auch in den riesigen bewässerten Reisfeldern setzen methanogene Mikroben Klimagase frei.
leider habt ihr hier im letzten Jahr nicht viele neue Artikel lesen können. Aber die Corona-Pandemie hatte mich beruflich sehr im Griff. Ich bin Pressesprecherin am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig und damit immer mitten in der wissenschaftlichen und politischen Debatte. Es ist eine sehr spannende und lehrreiche Zeit – aber mittlerweile kein Sprint mehr sondern ein Marathon, bei dem man sich die Ressourcen gut einteilen muss.
Das Pressesprecher-Magazin hatte mich im letzten Jahr zu den Herausforderungen in der Wissenschaftskommunikation in der HZI-Pressestelle interviewt und es ist ein schöner Artikel dabei herausgekommen, den ich euch hier gern verlinke. Ich habe mich besonders gefreut, dass mein Interview auf Platz 4 der meistgelesenen Artikel des Pressesprecher im Jahre 2020 gerankt wurde.
Habt ihr auch noch spezielle Fragen an mich? Wie wir mit Journalistenandrang umgehen? Wie wir unsere Wissenschaftler für Medien trainieren oder wie politisch Wissenschaft eigentlich sein darf?
Eine Variante für natürlich fermentierten Obstessig habe ich hier ausprobiert. Es handelt sich um Quittenessig aus angesetztem Fruchtpüree – kein Ansatzessig.
Zutaten:
3 kg Quitten, Fruchtfleisch
8 EL Rohrzucker oder Honig für den Ansatz
2 EL Apfelessig, naturbelassen und ungefiltert
7 EL Rohrzucker zum „Anfüttern“
Quittenschälen, entkernen und in Würfel schneiden
Im Mixer zu Püree zerkleinern
Zusammen mit der Flüssigkeit in eine großes Glas geben
Rohrzucker oder den Honig unterrühren
Den Apfelessig dazugeben: Der Apfelessig sorgt für einen schnelleren Start des Fermentationsprozesses. Es sind aber auch immer ausreichend Hefepilze in der Umgebungsluft, um die Gärung in Gang zu setzen.
Das Glas mit einem Ruch fest abdecken – an einen kühlen, abgedunkelten Ort stellen.
Im 2-Wochen-Rhythmus einen weiteren Esslöffel Rohzucker unterrühren, um die Essiggärung in Gang zu halten.
Das „Anfüttern“ solange wiederholen, bis sich im Fruchtpüree ausreichend Essigflüssigkeit gebildet hat.
Je öfter der Prozess wiederholt wird, umso besser wird die Qualität des Quittenessigs. (3 Monate)
Zur Ernte das Püree in einem festen Tuch auspressen und den Essig in Flaschen abfüllen.
Die Ausbeute von von 3 Kilogramm Fruchtfleisch sind etwa 800 Milliliter feinster Quittenessig.
Ich halte euch hier auf dem Laufenden, wie es mit meinem Ansatz weitergeht.
Update: Essigabfüllung im Februar 2021
Quittenessig abgefüllt (@S. Thiele)
Ende Februar 2021 nach zweieinhalb Monaten habe ich meinen Essig in eine Flasche abgefüllt. Jetzt kann er noch etwas nachreifen. Der Quittenessig ist aber auch jetzt schon im Geschmack sehr kräuterig, frisch-fruchtig und herb – damit gehört er schon jetzt zu meinen Lieblingen im Zutatenregal. Er ist vielseitig einsetzbar – auch als Zitronenersatz und gibt z.B. Salaten den letzten Pfiff.
Rhabarber-Limonade mit Wasserkefir in zweiter Fermentation (S. Thiele)
Eine zweite Fermentation könnt ihr durchführen, wenn ihr eure Wasserkefir-Limonade mit etwas mehr Kohlensäure mögt oder um den Geschmack des Getränkes noch zu verändern.
Dazu wird das fertige Wasserkefir-Getränk nach der ersten Fermentation (Standardrezept) in Flaschen abgefüllt und 1-3 Tage bei Zimmertemperatur stehen gelassen. Am besten eignen sich Flaschen mit Bügelverschlüssen aus nicht zu dünnem Glas. Ihr könnt die Flaschen täglich kurz und ganz langsam etwas entlüften.
Mehr Kohlensäure:
Dazu könnt ihr in die Flaschen immer 2-3 Rosinen geben und dann die Flaschen bei Zimmertemperatur 1-3 Tage fermentieren lassen. Die Rosinen nimmt man später wieder raus. Das fertige Getränk wird im Kühlschrank aufbewahrt. Die Kälte verlangsamt die Fermentation und gekühlt schmeckt es am besten.
Mehr Geschmack:
Um den Geschmack eures Getränkes zu verändern, könnt ihr den Flaschen einfach verschiedene Zutaten zusetzen:
Im Fall der Rhabarber-Limonade habe ich folgendes verwendet:
2 Stangen Rhabarber kleingeschnitten auf zwei Flaschen aufgeteilt
8 Erdbeeren kleingeschnitten und auf 2 Flaschen aufgeteilt
8 Minzblätter auf zwei Flaschen
nach Geschmack 1 dünne Zitronenscheibe halbiert auf 2 Flaschen
Nach der zweiten Fermentation nach 2- 3 Tagen bei Zimmertemperatur bekommt das Getränk auch eine sehr schöne Rosafärbung (wie oben zu sehen). Dann vor dem Servieren nochmal ab in den Kühlschrank und dann schmeckt es sehr erfrischend.
Weitere Experimentiervorschläge:
Ferm. Fruchtsaft-Limo ( 250 ml Getränk und 50 ml Fruchtsaft)
250 ml Getränk und 2/1 TL Birkenzucker o.ä.
Erdbeer-Minze ( 1 TL Erdbeeren und 1 Minzblatt auf 250 ml)
Ingwer-Zitrone (1 dünne Scheibe Ingwer und 1 TL Zitronensaft auf 250 ml)
Beere (1TL frische oder TK Beerenmischung auf 250 ml)
Ananas-Ingwer (1 dünne scheibe Ingwer und 2 Stücke Ananas auf 250 ml)
Vanille (1 Tropfen Bourbon Vanilleextrakt auf 250 ml)
Holunder (eine Dolde auf 250 ml und 1 TL Zitronensaft
