|
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." |
