Leben unter tödlichen Bedingungen

Max-Planck-Forscher entschlüsseln Genom eines mikrobiologischen Anpassungskünstlers, der dort lebt, wo kein anderer mehr leben kann

12. Oktober 2005

Das Genom eines weiteren unter Extrembedingungen lebenden Mikroorganismus ist entschlüsselt. Durch Analyse des Genoms von Natronomonas pharaonis haben die Wissenschaftler der Abteilung Membranbiochemie des Max-Planck-Instituts für Biochemie jene Überlebens-Strategien aufgedeckt, mit denen das Archaeon unter tödlichen Umweltbedingungen noch bestens gedeihen kann. In der neuesten Ausgabe der internationalen Fachzeitschrift GENOME RESEARCH präsentieren Professor Dieter Oesterhelt und seine Kollegen ihre Ergebnisse (GENOME RESEARCH, Oktober 2005).

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Elektronenmikroskopische Aufnahme des Einzellers Natronomonas pharaonis (links), der in lebensfeindlichen Salztümpeln wächst. Rechtes Bild: Lake Zug im Wadi Natrun, Sahara, Ägypten, in dem der Organismus gefunden wurde. Mit der Entschlüsselung des Genoms können jetzt die Überlebensstrategien des Mikroorganismus aufgeklärt werden.

Archaeen, kleine Einzeller, sind für die Wissenschaft besonders interessant, weil sie unter extremen Umweltbedingungen wie hohen Salzkonzentrationen, hohen pH-Werten oder hohen Temperaturen leben können. Die Überlebenskünstler der Natur sind für die Forscher Modellorganismen, denn aus ihren Lebensweisen kann man Rückschlüsse auf die ersten Organismen der Erde ziehen. Die Wissenschaftler studieren an den nur fünf hundertstel Millimeter großen stäbchenförmigen Zellen Mechanismen, die den Einzellern das Überleben ermöglichen. In der Abteilung Membranbiochemie unter Leitung von Professor Dieter Oesterhelt zeigen die Max-Planck-Forscher mit Methoden der Genomik und Proteomik in Kombination mit physiologischen Experimenten, wie sich die erstaunlichen Leistungen der Extremisten erklären lassen.

Friedhelm Pfeiffer, Bioinformatiker in der Forschungsgruppe, hat mit seinen Mitarbeitern für die halophilen (griechisch: "salzliebenden") Archaeen eine Datenbank HaloLex (www.halolex.mpg.de) angelegt, in der die Gen- und Protein-Daten der erforschten Organismen mit Informationen über Struktur und Funktion verknüpft werden. Als neuestes Genom machen nun Michaela Falb, Friedhelm Pfeiffer, Peter Palm, Karin Rodewald, Volker Hickmann, Jörg Tittor und Dieter Oesterhelt die Erbinformation des halophilen Archaeons Natronomonas pharaonis zugänglich. Diese besteht aus rund 2,6 Millionen Basenpaaren (ca. ein Tausendstel des menschlichen Genoms) und kodiert für die Synthese von 2.843 Proteinen.

Natronomonas pharaonis muss mit doppelt lebensfeindlichen Bedingungen zu Recht kommen. Es wurde in stark alkalischen Teichen (pH-Wert etwa 11) mit extremer Salzkonzentration gefunden (über 300 Gramm Salz pro Liter Wasser). Der hohe pH-Wert entspricht einer konzentrierten Waschmittellauge und der Salzgehalt etwa dem des Toten Meeres. Was den Salzgehalt angeht, verhält es sich wie nahe verwandte Organismen, z.B. Halobacterium salinarum, dem "Haustier" der Abteilung von Dieter Oesterhelt. Im Gegensatz zu anderen salztoleranten Organismen haben die halophilen Archaeen extrem hohe Salzkonzentrationen im Zellinneren. Proteine, entscheidende funktionelle Bestandteile lebender Zellen, fallen normalerweise bei diesen Salzkonzentrationen aus. Doch ein erhöhter Anteil an sauren Aminosäuren-Bausteinen im Proteom sorgt dafür, dass die Proteine auch bei hohen Salzkonzentrationen noch stabil bleiben. Als Anpassung an den extrem hohen äußeren pH-Wert besitzt N. pharaonis auch einen moderat erhöhten pH-Wert in der Zelle.

Besondere Strategien werden für die zellulären Bestandteile benötigt, die in direktem Kontakt zur umgebenden Salzlauge stehen: die Zellmembran und jene Proteine, die außerhalb der Zelle funktionieren müssen. Wie Michaela Falb jetzt durch theoretische Analysen im Rahmen ihrer Doktorarbeit herausfand, werden bei Natronomonas pharaonis besonders viele Proteine mit einem Lipidmolekül verknüpft und dadurch in der Zellmembran verankert.

Wichtige Funktionen des Energiestoffwechsels, z.B. die Atmungskette, sind in die Zellmembran eingebettet und müssen den widrigen äußeren Umständen angepasst sein. Trotz detaillierter bioinformatischer Analyse des Genoms blieb noch offen, ob N. pharaonis eine funktionierende Atmungskette besitzt und welche Ionen dabei eine Rolle spielen. Die Bioinformatikerin Michaela Falb und der Biochemiker Jörg Tittor konzipierten deshalb zusätzliche experimentelle Studien, die zeigten, dass Natronomonas pharaonis tatsächlich eine funktionierende Atmungskette besitzt, die erstaunlicherweise und im Gegensatz zu anderen, unter alkalischen Bedingungen wachsenden Organismen mit einem "normalen" Proton funktioniert. Damit konnten die Max-Planck-Forscher das bisher gültige Paradigma widerlegen, dass Organismen unter alkalischen Bedingungen auf andere Ionen (z.B. Natrium, Na+) ausweichen müssen.

Ein hoher pH-Wert führt zur Verarmung an Ammonium. Da Ammonium-Stickstoff ein wesentlicher Baustein für Aminosäuren ist, müsste der Winzling eigentlich Probleme bei deren Synthese haben. Michaela Falb entdeckte nun im Genom mehrere Wege zur optimalen Ausnutzung des Stickstoffvorkommens: durch Aufnahme und Verstoffwechslung von Nitrat und Harnstoff, sowie effiziente Aufnahme von Ammonium.

Auch bei einer anderen Fragestellung trug die Zusammenarbeit von theoretisch und experimentell arbeitenden Wissenschaftlern Früchte: Nachdem die Bioinformatiker voraussagen konnten, dass Natronomonas pharaonis fast alle Vitamine und Aminosäuren selbst herstellen kann, konnte das Wachstumsmedium für die Aufzucht der Einzeller erheblich vereinfacht werden.

"Der Vergleich der von uns studierten halophilen Archaeen zeigt uns, dass diese Organismen eine hohe Plastizität besitzen, mit der sie sich an die variablen extremen Umweltbedingungen anpassen können. Die Genügsamkeit von Natronomonas pharaonis mit der Möglichkeit zur Vereinfachung des Nährmediums eröffnet neue Möglichkeiten für die experimentelle Untersuchung des Stoffwechselnetzwerks", erklärt Dieter Oesterhelt. "Die damit gewonnenen Daten bilden eine wichtige Grundlage, um im Rahmen systembiologischer Studien und in interdisziplinärer Zusammenarbeit mit Mathematikern Stoffwechsel-Modelle zu entwickeln und zu überprüfen."

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