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Mikrobiologie: Wozu Phosphor, Arsen tut's auch

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Das uns bekannte Leben beruht vor allem auf sechs Elementen: Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel und Phosphor. Arsen hingegen gilt als wenig lebensfördernd. Doch ein spezialisierter Bakterienstamm in Kalifornien ist da nicht wählerisch. Denn mangelt es an Phosphat im Umfeld, dürften Arsenate seinen Platz einnehmen – sogar im Erbgut.

Felisa Wolfe-Simon vom Astrobiology Institute der NASA und ihre Kollegen hatten sich einen Extremlebensraum vorgenommen: den Mono Lake in Kalifornien – ein Salzsee, der nicht nur deutlich basisch ist, sondern auch ungewöhnlich hohe Arsenkonzentrationen von im Schnitt 200 Mikromol pro Liter aufweist. Von dort entnommene Sedimentproben nutzten sie, um im Labor Bakterienkolonien zu züchten. Mehrere Ansätze fütterten sie dabei statt mit Phosphaten mit Arsenat in unterschiedlichen Konzentrationen. Und siehe da: Die Mikroorganismen wuchsen trotzdem – genauer gesagt, Stamm GFAJ-1 der Halomonadaceae.

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Mono Lake | Der Mono Lake in Kalifornien ist stark alkalisch, sehr salzhaltig und weist hohe Konzentrationen von Arsen auf. Wer hier überleben will, muss Spezialist sein.
Aus verschiedenen Analyseergebnissen schließen die Forscher, dass die Bakterien das Arsenat als vollwertigen Ersatz im Stoffwechselgeschehen nutzen, bis hin zum Einbau in die DNA. Einzig in der Wachstumsgeschwindigkeit müssten sie offenbar Abstriche machen. Dafür ist ihr Volumen etwa eineinhalb mal so groß.

Auch für ein weiteres Problem von Arsenat scheine GFAJ-1 eine Lösung gefunden zu haben: Die Arsenverbindungen sind im Vergleich zu den phosphorhaltigen Analogen instabiler. Dies gilt als ein Haupthindernis dafür, dass Arsen Phosphor in größerem Umfang ersetzen könnte. Unter dem Elektronenmikroskop allerdings fanden die Wissenschaftler an Vakuolen erinnernde Strukturen. Wäre es in deren Innerem wasserarm oder gar wasserfrei, würde das den Abbau der arsenhaltigen Ersatzstoffe verzögern. Diese vakuolenartigen Blasen könnten zudem dafür verantwortlich sein, dass die Zellen unter Arsendiät voluminöser waren als bei Phosphatfutter.

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Bakterien mit interessantem Innenleben | Ein seltsamer Geselle ist der Bakterienstamm GFAJ-1 allemal, denn er kann jede Menge Arsen aushalten, auch wenn er es nicht in seine DNA einbaut. Dabei helfen ihnen womöglich Vakuolen ähnelnde Strukturen im Inneren.
So giftig der Ruf von Arsen auch ist – es gibt zahlreiche Organismen, die zumindest Entgiftungsmechanismen entwickelt haben, und auch andere Mikroben, die es gezielt im Energiestoffwechsel nutzen. Ein derartig vollständiger Ersatz von Phosphor durch Arsen sei bislang aber bei keinem Lebewesen nachgewiesen worden, so die Forscher. Daher stammt denn wohl auch die Begeisterung, mit der die NASA-Experten das Resultat unter dem Gesichtspunkt potenziellen extraterrestrischen Lebens bejubeln. (korr. 7.12.10) (af)
48. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 48. KW 2010

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