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Mykologie: Atompilze

Manche Menschen sollen von Luft und Liebe leben können. Grünpflanzen brauchen Sonnenlicht. Und einige Bakterien gewinnen Energie aus Schwefelverbindungen. Warum als Schimmelpilz dann nicht ionisierende Strahlung nutzen?
Wangiella dermatitidis
<i>Cryptococcus neoformans</i> mit und ohne Melanin
Cryptococcus neoformans mit und ohne Melanin | Cryptococcus neoformans kann nur Melanin bilden, wenn der Pilz auf einem Laccase-Substrat wächst. Das linke Bild zeigt eine pigmentfreie Cryptococcus-Zelle, das rechte Bild eine Pilzzelle, die Melanin aus Levodopa gebildet hat. Das Pigment lagert sich auf der Zellwand an.
Tschernobyl 2002: Ein miniaturisiertes Kettenfahrzeug rumpelt durch die tiefschwarze Nacht von Reaktorblock 4. Die Luft ist heiß und stickig. Teile von Brennstäben versperren den Weg durch diese lebensfeindliche Welt. Geschmolzene Reaktorteile, die sich wie zähflüssige Lava über den Boden ergossen haben, sind dort erstarrt und bilden einen holprigen Untergrund. Jede Bewegung wirbelt hochradioaktive Asche auf – vom Dach des rissigen Sarkophags tropft es leise. Schließlich hat der kleine Roboter seine Aufgaben erledigt und kehrt dem Schauplatz des atomaren Super-GAUs von 1986 den Rücken. In den Proben, die er mitbringt, finden Forscher – Leben.

Was sich wie ein mittelmäßiges Sciencefiction-Szenario der frühen 1990er Jahre liest, entspricht den Tatsachen. Offenbar gedeihen Pilze, insbesondere Cladosporium sphaerospermum – ein Schimmelpilz –, ganz prächtig unter der extremen Strahlenbelastung des explodierten Reaktorblocks 4. Was anderen Lebewesen in kürzester Zeit den Garaus macht oder wenigstens die Fortpflanzungsfähigkeit zerschießt, lässt den schwarzen Schimmel ungerührt wuchern.

Melanin: Pigment extremophiler Pilze

Diese Nachricht weckte Neugier am Albert-Einstein-College für Medizin in New York. Besondere Aufmerksamkeit schenkten Ekaterina Dadachova und ihren Kollegen dem Melanin, einem Pigment, das Pilze in extremen Lebensräumen wie dem arktischen Eis, auf Gebirgsgipfeln oder eben im Reaktor des Lenin-Kraftwerks von Tschernobyl zumeist in hohen Konzentrationen aufweisen.

Dass Melanin Menschen und Tiere vor krebserregender UV-Strahlung schützt, war bekannt. Die Gammastrahlung in Reaktorblock 4 liegt jedoch weit jenseits der Wellenlängen, die das Pigment absorbiert. Darüber hinaus, so die Forscher, widerstehen auch melaninfreie Pilze ionisierender Strahlung mit Intensitäten von bis zu 17 000 Gray – eine kurzzeitige Gamma-Bestrahlung mit etwa 4 Gray endet für Menschen oft tödlich. Ob also Pilze eine möglicherweise abschirmende Wirkung des Melanins nötig haben, schien fraglich. Dennoch stellen Pilze die Pigment-Produktion auch bei ärgster Nährstoffknappheit nicht ein. Irgendeinen deutlichen evolutionären Vorteil musste es also auch bei weniger als 17 000 Gray geben.

Die Forscher beschränkten ihre Arbeit auf drei Pilzarten: Den Tschernobyl-Schimmel Cladosporium sphaerospermum, den Schwärzepilz Exophiala dermatitidis (auch als Wangiella dermatitidis klassifiziert), der beim Menschen gefährliche Infektionen auslöst, und einen hefeähnlichen Pilz namens Cryptococcus neoformans, der besonders die Lungen Aids-Kranker befällt und dann tödlich wirken kann. Die zuletzt genannten Arten waren besonders geeignet, um den Einfluss des Melanins zu untersuchen, da vom Hefepilz ein Albinostamm existiert und der Schwärzepilz nur dann Melanin bildet, wenn er eine Melanin-Vorstufe, wie beispielsweise das zur Behandlung von Parkinsonpatienten eingesetzte Levodopa, als Nahrung vorfindet.

Gammastrahlen begünstigen Pilzwachstum

Bestrahlten die Wissenschaftler ihre Pilze mit dem 500-fachen der natürlich auftretenden Gammastrahlung – also in etwa mit der Intensität die im Inneren des Tschernobyl-Reaktors herrscht – konnten sie zwei Beobachtungen machen: Die melaninlosen Kolonien wuchsen unabhängig vom Beschuss ziemlich unbeeindruckt vor sich hin. Ein eventueller Schutz durch Melanin war also nicht erforderlich. Melaninhaltige Pilze hingegen vermehrten sich plötzlich erheblich schneller – unabhängig davon, ob die Forscher die Trockenmasse wogen, den Radius der Kultur maßen oder den Zuwachs auf andere Weise bestimmten. So produzierte melaninhaltiger Cryptococcus neoformans unter dem Einfluss der Gammastrahlen zweieinhalb mal so viele koloniebildende Einheiten wie gewöhnlich.

Die Wechselwirkung zwischen hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung und Melanin kam den Pilzen also auch unabhängig von einer eventuellen Schutzfunktion sehr zu Gute, schlossen die Forscher. Dazu passt, dass einige melaninhaltige Pilze im Labor wie in der Natur gezielt auf radioaktive Quellen wachsen. Also nahmen sie die Reaktion reinen Melanins auf Bestrahlung unter die Lupe.

Bestrahltes Melanin beschleunigt Stoffwechsel

Zunächst stellten sie fest, dass das Biopolymer unter Beschuss seine Elektronenkonfiguration ändert. Um die Wirkung dessen zu studieren, stellten die Forscher in der Petrischale einen Stoffwechselvorgang nach, von dem sie wussten, dass Melanin daran beteiligt ist: die Redox-Reaktion von Ferricyanid und NADH, das auch in der Fotosynthese als Elektronenträger dient. Schon nach etwa 40 Minuten heftiger Bestrahlung stieg die Stoffwechselgeschwindigkeit auf das Vierfache des Ausgangswertes an – und zwar nicht nur für Gammastrahlen. Für langwellige Wärmestrahlung, sichtbares und UV-Licht ergab sich beinahe derselbe stark erhöhte Wert.

Mit Hilfe von Substanzen, die ihre Farbe ändern, wenn sie verarbeitet werden, wiesen Dadachova und ihre Kollegen auch in vivo nach, dass Gammastrahlen den Stoffwechsel genau dort beschleunigen, wo Pilze ihr Melanin anlagern: auf den Zelloberflächen.

Melanin statt Chlorophyll?

Melanin schützt also nicht nur vor der ionisierenden Wirkung von UV-Licht. "So wie das Pigment Chlorophyll Sonnenlicht in chemische Energie verwandelt, die grüne Pflanzen leben und wachsen lässt, legt unsere Forschung nahe, dass Melanin einen anderen Teil des elektromagnetischen Spektrums – Gammastrahlen – nutzen kann", so Dadachova.

Pilze, die von harter Strahlung leben, wären auf dem Weg zu fremden Planeten möglicherweise eine wichtige Nahrungsquelle für Astronauten, so die Forscher. Arturo Casadevall, Ko-Autor der Studie, weist zudem darauf hin, dass sich das Melanin in der menschlichen Haut chemisch nicht von dem der Pilze unterscheidet und bemerkt: "Es ist reine Spekulation, aber nicht unmöglich, dass Melanin unsere Hautzellen mit Energie versorgt. Obwohl das wohl kaum ausreichen würde, um am Strand herumzutollen, hilft es Ihnen vielleicht dabei, ein Augenlid zu heben."
25.05.2007

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 25.05.2007

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