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News: Überlebenskünstler im Meer

Wissenschaftler haben das Erbgut des Meeresbakteriums Pirellula entschlüsselt. Damit ist es jetzt möglich, nicht nur einen Blick auf seinen gesamten Bauplan zu werfen, sondern auch die Funktion unzähliger Enzyme und ihr Zusammenspiel den Stoffwechsel vorherzusagen. Dies erlaubt den Meeresbiologen neuartige Einblicke in die Lebensweise von Bakterien im Meer.
Bakterien sind zwar so klein, dass sie nur mit dem Mikroskop zu entdecken sind, doch sie spielen in den globalen Stoffkreisläufen der Erde eine große Rolle. Erkennen kann man das auch daran, dass bis zu einer Milliarde von ihnen in nur einem Liter Meereswasser leben. Die Mikroorganismen sind äußerst vielseitig, wenn es darum geht, unter wechselnden Lebensbedingungen zu überleben. Ihre Nahrung finden sie in organischem Material wie abgestorbenen Algen, die langsam aus den oberen Wasserschichten als Meeres-Schnee zu Boden sinken.

In diesem "Schnee" der Ostsee findet sich auch Bakterien mit dem ungewöhnlichen Namen Pirellula – "kleine Birne" –, die sich auf den Abbau großer Zuckermoleküle spezialisiert haben. Aus Wasserproben von der Kieler Förde gelang es Heinz Schlesner von der Universität Kiel, eine Reinkultur von Pirellula herzustellen, die – frei von störenden Verunreinigungen durch andere Bakterien – als Ausgangsmaterial für die Entzifferung des Genoms dienen konnte. Die Sequenzierung des Genoms erfolgte am Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin-Dahlem unter Einsatz modernster Technik.

Dank der hohen Datenqualität – jeder DNA-Baustein wurde durchschnittlich achtmal bestätigt – war es möglich, die in einem zirkulären Chromosom organisierte Erbsubstanz komplett zu entschlüsseln. Mit mehr als sieben Millionen DNA-Bausteinen besitzt Pirellula eines der größten bislang vollständig sequenzierten bakteriellen Genome. Die Gen-Information aus der endlos erscheinenden Abfolge des genetischen Alphabets G,A,T und C den so genannten Basen – zu entziffern, erfolgte anschließend innerhalb von zwei Jahren in der Bioinformatikgruppe von Frank Oliver Glöckner am Bremer Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie.

Vergleichbar mit einem Buch, das in einer unbekannten Sprache geschrieben wurde, mussten die Forscher die einzelnen Wörter, Sätze und Kapitel ordnen, um ihren Sinn nach und nach zu verstehen. Dabei kam viel Überraschendes zutage. Dank dieser Analyse ist es nun möglich, verschiedene Aspekte des Lebenszyklus von Pirellula in der Ostsee vorherzusagen. Dies beginnt an der sonnenbeschienenen Wasseroberfläche. Die Genomanalyse zeigt, dass Pirellula eine Reihe von Genen besitzt, die für die Herstellung eines Sonnenschutzfaktor codieren. Dieser schützt das Bakterium – wie eine Sonnencreme – vor den schädlichen Auswirkungen der UV-Strahlung. In den oberen sauerstoffreichen Bereichen der Ostsee ist Pirellula bestens gerüstet, auch exotische Nahrungsquellen noch zu verwerten. Insbesondere mit Sulfat verbundene Kohlenhydrate kann es zur Energieversorgung nutzen. Hunderte von Genen sind für die Herstellung der dafür notwendigen Werkzeuge, der Enzyme, vorhanden.

Zum Überleben ist auch eine Stickstoffquelle notwendig, aber Nitrat ist oftmals Mangelware im Oberflächenwasser. Mit einem speziellen Nitrat-Transporter in der Außenhülle des Bakteriums, der ähnlich wie ein Förderband agiert, gelingt es diesem Organismus auch dort Nitrat aufzunehmen und zu überleben, wo andere Bakterien schon längst nicht mehr wachsen können. Mit einer Art Spezialkleber kann es sich dann an abgestorbenes organisches Material anheften. Huckepack geht es damit ab in die Tiefe, wobei das Transportmittel gleichzeitig als Reiseproviant dient.

Unten am Meeresboden wird der Sauerstoff knapp, doch dank spezieller Gene kann Pirellula auch noch bei extrem niedrigem Sauerstoffgehalt überleben. Sollte einmal gar kein Sauerstoff mehr vorhanden sein, sind weitere Gene vorhanden, um ein Überleben auch unter diesen Bedingungen zu ermöglichen. Doch irgendwann gehen die Nahrungsvorräte auf der abgesunkenen Schneeflocke auch einmal zu Ende. Um sich neue Nahrungsgründe zu erschließen, kann Pirellula, ähnlich wie die Bäckerhefe, Knospen ausbilden. Die daraus entstehenden, durch Geißeln beweglichen Schwärmerzellen schwärmen dann aus, schwimmen nach oben und der Lebenszyklus beginnt wieder von neuem.

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