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Mikrobiologie: Vorteilhafte Vielfalt

Bakterien mit gleichem Erbgut sollten sich unter identischen Bedingungen auch ähnlich verhalten – eigentlich. Manchmal können aber Abweichler für einen klaren Wachstumsvorteil sorgen.
Klebsiella-Zellen, die Luftstickstoff fixierenLaden...

Gelangt ein Bakterium an einen Ort mit günstigen Umweltbedingungen, beginnt es sich zu teilen. Innerhalb kürzester Zeit entsteht so eine Gemeinschaft aus Lebewesen mit identischem Erbgut. In der gleichen Situation sollten sich diese Klone eigentlich ähnlich verhalten. Dass dies in der Natur nicht immer so ist, und warum das seine Vorteile hat, zeigten Wissenschaftler um Frank Schreiber von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich. Sie untersuchten eine Mikrobe, die gasförmigen Stickstoff (N2) aus der Luft aufnehmen und in ihre Zellbausteine einbauen kann. Diese Fähigkeit bietet einen Überlebensvorteil bei knappem Nährstoffangebot, denn Stickstoff ist unentbehrlich für den Aufbau von Eiweißen und der Erbsubstanz DNA. Während Tiere und Pilze das Element in Form von organischen Verbindungen mit der Nahrung aufnehmen müssen, können Pflanzen und die meisten Bakterien zusätzlich anorganische Substanzen wie Ammoniumionen (NH4+) nutzen. Deren Verfügbarkeit ist in der Natur allerdings begrenzt und schwankt zudem – ein wachstumsbegrenzender Faktor für die davon abhängigen Lebewesen. Stickstofffixierer sind da im Vorteil, denn N2 gibt es immer genug in der Luft.

Allerdings ist die Dreifachbindung zwischen den beiden Atomen des Stickstoffmoleküls sehr stabil, ihr Aufbrechen dementsprechend energieintensiv. Das nach den deutschen Chemikern Fritz Haber und Carl Bosch benannte industrielle Verfahren benötigt 400 bis 500 Grad Celsius und 150 bis 300-fachen Atmosphärendruck, damit aus molekularem Stick- und Wasserstoff Ammoniak (NH3) entstehen kann. Die Bakterien führen im Prinzip die gleiche Reaktion, aber unter physiologischen Bedingungen durch, und zwar mit Hilfe eines Enzymkomplexes namens Nitrogenase. Sie bezahlen dafür in der Energiewährung der Zelle, dem Adenosintriphosphat (ATP), von dem 16 Moleküle pro gespaltenem N2 verbraucht werden. Wie bei allen teuren Sachen empfiehlt sich der Verzicht, so­lange eine billigere Alternative zur Verfügung steht. Und wirklich verwenden ebenfalls solche Mikroben bevorzugt gelöste Stickstoffsalze. Deren Gegenwart unterdrückt die Bildung der Nitrogenase, was einen weiteren Spareffekt zur Folge hat, nämlich bei den Aminosäuren für den Aufbau der Enzymmoleküle. ...

Februar 2017

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft Februar 2017

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