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Extremophile Bakterien

Was für andere Stress bedeutet, bringt sie erst recht in Fahrt - extremophile Mikroorganismen mögen es heiß, sauer oder salzig, und auch Gifte wie etwa Schwermetalle bekommen ihnen gut, liefern sogar Energie. Mit der Verfügbarkeit von immer besseren molekular- und systembiologischen Techniken hat in den letzten Jahren auch die Industrie die Exoten in ihren Fokus gerückt. Welche Möglichkeiten bieten sich für die Pharma-, Kosmetik- oder Hygieneartikelbranche mit der Erschließung der Biochemie von extremophilen Mikroorganismen? Es ist in jedem Fall ein Trend zu beobachten.

Eines der bevorzugten Habitate von extremophilen Mikroorganismen sind heiße Quellen und Geysire. © www.wikipedia.org

Der Stoffwechsel von Bakterien und Algen, die in heißen Vulkanquellen, im Toten Meer, in verseuchten Böden oder im Packeis der Arktis leben, hat sich an die menschenfeindlichen Lebensräume angepasst und gewinnt ihnen stets etwas Positives ab. Das Leben weiß sich eben fast überall zu helfen. Der Stoffwechsel dieser sogenannten extremophilen Mikroorganismen stellt eine wahre Fundgrube an Molekülen dar, die das Leben an den Rändern des Unmöglichen erst möglich machen. Eine bisher noch kaum ausgeschöpfte Goldgrube. Das hat in den letzten Jahren auch die Biotech-Industrie erkannt: hier herrscht Goldgräberstimmung.

Energiesparend und nachhaltig zugleich?

Denn es scheint sich eine grundlegende Veränderung der Denkweise einzustellen: Die industriellen Synthese-Prozesse für zahlreiche Stoffklassen werden schon heute oft in Bioreaktoren durchgeführt anstatt in chemischen Raffinerien. Grund- und Feinchemikalien aus pflanzlichen Rohstoffen, Biopolymere als Kunststoffersatz und umweltverträgliche Biokraftstoffe gehören zu den innovativen Produkten. „Biokatalysatoren“ ist das Schlagwort der Zukunft, Enzyme also, die aus lebenden Organismen gewonnen wurden und definierte Syntheseschritte vermitteln. Neben den Feinchemikalien wird der Einsatz von Biokatalysatoren auch bei der Produktion von Massenchemikalien stärker an Gewicht gewinnen. Schon jetzt werden weltweit Bioreaktoren mit 500 m³ Größe (und mehr) zur Herstellung des Geschmacksverstärkers L-Glutamat, des Futterzusatzstoffes L-Lysin, von Antibiotika, von Vitaminen oder von Zitronensäure und Milchsäure eingesetzt.

Schon heute werden zur mikrobiellen Produktion von Proteinen Bioreaktoren eingesetzt. © Peter Grotzinger/ www.wikipedia.org

Die Substitution petrochemischer Produktionsschritte durch biotechnologische Verfahren kann den Energieeinsatz verringern und die Umstellung auf nachwachsende Rohstoffe vermitteln. Das BMBF beabsichtigt, für die "Innovationsinitiative industrielle Biotechnologie" bis zu 100 Millionen Euro über fünf bis zehn Jahre bereitzustellen. In den Laboren von Grundlagenforschern und von Wissenschaftlern aus der Industrie rücken mit der Entwicklung von molekularbiologischen Hochdurchsatzmethoden und besseren Kultivierungstechniken in den letzten Jahren auch immer häufiger exotische Bakterien und Pilze in den Fokus.

Rosa Fischfleisch und UV-Schutz für die Haut

Die Toleranz gegenüber extremen chemischen und physikalischen Umgebungen macht die Biomoleküle aus extremophilen Mikroorganismen interessant für zahlreiche industrielle Syntheseschritte, denn diese müssen oft unter besonders hohen oder niedrigen Temperaturen und Drücken oder unter Sauerstoffausschluss und in anderen „exotischen“ chemischen Umgebungen durchgeführt werden.

Rekorde unter extremophilen Organismen:

Kälte: -15 °C - Mikroalgen (Eukarya)

Hitze: 113 °C - Pyrolobus fumarii (Archaea)

Säure: pH 0,7 - Picrophilus torridus (Archaea)

Base: pH >10 - Natronobacterium pharaonis (Archaea)

Strahlung: > 30 kGy - Deinococcus radiodurans (Bacteria)

Salz: > 5 M - Halobacteriaceae (Archaea)

Thermus aquaticus ist ein hitzeliebendes extremophiles Bakterium, das in heißen Quellen und Geysiren lebt. © Diane Montpetit (Food Research and Development Centre, Agriculture and Agri-Food Canada)/ www.wikipe

„Extremozyme“ werden schon heute vielerorts verwendet. So müssten zum Beispiel Biologen jeden Schritt der PCR-Reaktion neu pipettieren ohne die Taq-Polymerase aus Thermus aquaticus, die kein Problem hat mit den Temperaturerhöhungen während der Aufschmelzung von DNA-Strängen. Neben Enzymen spielen auch andere Zellinhaltsstoffe aus Extremophilen eine wichtige Rolle. Das Molekül Astaxanthin färbt nicht nur Schneealgen rot, sondern ist ein wichtiges Antioxidans, das in Kosmetika eingesetzt wird. Seine rote Farbe macht es außerdem als Zusatzmittel für Fischfutter relevant, damit das auf Eis gelagerte Fischfleisch schön rosa ist und Fischliebhaber lockt.

In der Medizin, Diagnostik und Kosmetik werden seit Kurzem „kompatible Solute“ eingesetzt, die aus halophilen (salzliebenden) Bakterien gewonnen werden und Biomoleküle gegen Stressfaktoren stabilisieren können. Besonders etabliert ist die Gewinnung von Ectoin, einem der wichtigsten kompatiblen Solute, aus Halomonas elongata. Die Substanz aus dem halophilen Bakterium wird in einer ganzen Reihe von Kosmetika eingesetzt und entfaltet auf der Haut eine UV-schützende Wirkung.

Methanstaubsauger und stressfreie Pflanzen

Extremophile Mikroorganismen könnten irgendwann die gesellschaftlichen Visionen für die zukünftige Umweltentlastung verwirklichen helfen, etwa im Hinblick auf den Einsatz methanfressender Bakterien gegen den Treibhauseffekt oder die Biogasherstellung durch die Fermentation von Grünabfällen durch Thermophile bei 100 Grad Celsius und mehr. Das Verständnis der Molekular- und Stoffwechselbiologie der Extremophilen könnte außerdem dazu beitragen, landwirtschaftlich relevante Pflanzen widerstandsfähiger zu machen gegenüber Übersalzung, Verseuchung mit Schwermetallen oder Austrocknung von Böden. Auch in Baden-Württemberg sind Forscher und ihre Industriepartner heute dabei, das enorme Potential zu erschließen.

In welchen Bereichen steckt das Potenzial der mikrobiellen Exoten und ihrer Stoffwechselprodukte? Wie können Enzymsysteme in extremophilen Bakterien entdeckt, erforscht und für eine Anwendung nutzbar gemacht werden? Dieses Dossier soll einen Einblick geben.

Literatur:
Cypionka; Heribert: Grundlagen der Mikrobiologie; Springer Berlin Heidelberg (Taschenbuch - 2010)

Groß, Michael; Exzentriker des Lebens: Zellen zwischen Hitzeschock und Kältestreß; Spektrum Verlag (Gebundene Ausgabe 1997)

Glossar

  • Ein Antibiotikum ist ein Stoffwechselprodukt von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), das in geringen Konzentrationen andere Mikroorganismen in ihrem Wachstum hemmt.
  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Eine Base ist ein Bestandteil von Nukleinsäuren. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin, Guanin (Purinabkömmlinge), Cytosin und Thymin bzw. Uracil (Pyrimidinabkömmlinge). In der RNA ersetzt Uracil Thymin.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Die PCR oder Polymerase-Kettenreaktion ist eine molekularbiologische Methode, mit der kurze DNA-Abschnitte auf einfache Weise vervielfältigt werden. Man benötigt dazu lediglich die DNA-Vorlage, ein Enzym namens DNA-Polymerase, das die Vervielfältigung katalysiert, Ansatzstücke für die Polymerase, die sog. Primer, und die DNA-Bausteine, die sog. Desoxynukleosidtriphosphate. Gesteuert wird die Vervielfältigung über mehrere Zyklen von Temperaturerhöhungen und -senkungen.
  • Die Biokatalyse ist die effiziente Herstellung von chemischen Stoffen mit Hilfe von Mikroorganismen oder Enzymen.
  • Ein Bioreaktor ist ein geschlossenes System, in dem mikrobielle Umsetzungen organischer Substanzen unter kontrollierten Bedingungen stattfinden und gemessen werden können.
  • Fermentiation ist die Bezeichnung für die Umsetzung von biologischen Materialien mit Hilfe von Mikroorganismen oder durch Zusatz von Enzymen (Fermenten). Im eigentlichen Sinn handelt es bei der Fermentation um die anaerobe Oxidation von Zuckern zum Zwecke der Energiegewinnung des metabolisierenden Organismus.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Glutamat ist eine Aminosäure und damit Baustein von Eiweißen. Im zentralen Nervensystem ist Glutamat außerdem der wichtigste erregende Neurotransmitter (Botenstoff). Es wird dort in den Synapsen der Nervenzellen freigesetzt und bindet an spezifische Glutamat-Rezeptoren.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • L-Lysin ist eine basische und essentielle Aminosäure.
  • Milchsäure ist eine organische Säure, die in Sauermilchprodukten vorkommt. Als L-Milchsäure ist sie im Blut als auch in Organen von Säugetieren zu finden.
  • Astaxanthin ist ein Karotinoid-Farbstoff, der für die Färbung von Krebstieren verantwortlich ist. Astaxanthin wird von Algen gebildet und in der Futtermittelindustrie eingesetzt.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Biogas ist ein brennbares Gasgemisch, das bei der Zersetzung von Biomasse (Fäkalien, Bioabfall, Stroh u. a.) entsteht. Dabei wird das komplexe organische Material mit Hilfe verschiedener Mikroorganismen unter Luftabschluss hauptsächlich in Kohlendioxid und Methangas umgewandelt.
  • Vitamine sind lebenswichtige organische Verbindungen, die mit der Nahrung aufgenommen werden müssen, da sie der Körper nicht selbst synthetisieren kann. Sie sind für die Regulation des Stoffwechsels verantwortlich, indem sie die Verwertung von Kohlenhydrate, Proteine und Mineralstoffe ermöglichen. Man unterscheidet zwischen fettlöslichen und wasserlöslichen Vitaminen. Vitamin C ist zum Beispiel für die Stärkung des Immunsystems zuständig. Ausnahme: Vitamin D kann vom Körper produziert werden, solange genug Sonnenlicht vorhanden ist.
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung
Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/dossier/extremophile-bakterien/