Schöne neue Bakterienwelt

Trotz 300 Jahren, in denen sie durch Mikroskope geschaut, Bakterien in Kultur gezüchtet und Boden, Luft und Wasser auf neue mikrobielle Arten untersucht haben, haben Wissenschaftler einen Großteil des Lebens auf der Erde eindeutig übersehen. Dank leistungsstarker neuer Forschungsinstrumente entdecken Bakteriologen, dass die lebende Welt plötzlich viel größer und komplexer ist, als sie es sich noch vor einem Jahrzehnt vorgestellt hatten. Der Befund ähnelt in seiner Größenordnung vielleicht dem ersten Blick der niederländischen Mikroskopikerin Antonie van Leeuwenhoek auf Mikroben – er nannte sie Tierkeime –, die sich unter seinen groben Glaslinsen tummeln.



Da Bakterien im Wesentlichen nicht nachweisbar waren, es sei denn, sie konnten in Kultur gezüchtet werden, waren die meisten Arten – die in schwer zu replizierenden Umgebungen existieren – in gewisser Weise tabu. Stellen Sie sich vor, unser gesamtes Verständnis der Biologie würde auf Zoobesuchen beruhen, sagt Norman R. Pace, Biologe an der University of California in Berkeley. Das ist analog zu unserer Situation im Hinblick auf das Verständnis der mikrobiellen Welt.

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Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom April 1997





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Melvin Simon, Vorsitzender der Abteilung für Biologie am California Institute of Technology, schätzt, dass etwa 99 Prozent der Bakterien auf dem Markt noch nicht in Laborkulturschalen gezüchtet werden können. Das liegt daran, dass Wissenschaftler oft nicht die genaue Kombination von Bedingungen – einschließlich Sauerstoff, Temperatur und Licht – bestimmen können, die Mikroben benötigen, und weil es schwierig ist, diese Anforderungen auf einmal zu simulieren, um sie glücklich zu machen. Etwa 6.000 Arten von Mikroorganismen wurden offiziell beschrieben. Und bis jetzt, sagt er, ist der Rest für uns unsichtbar geblieben.

Der Schlüssel zu einem ersten Einblick in diese neue Welt lag darin, zu lernen, wie man das genetische Material eines Organismus direkt aus der Umwelt isoliert, amplifiziert und untersucht, ohne den Organismus selbst zu kultivieren. Durch den Einsatz molekularer Instrumente, die selektiv die hochspezifischen Gene eines Bakteriums aus einer DNA-Brühe herauslesen, können Wissenschaftler jetzt schnell neue Organismen identifizieren, ihre Eigenschaften erforschen und ihre Verwandtschaft zu bereits bekannten Organismen bestimmen.

Unter den neuen molekularen Werkzeugen ist die Gen-Amplifikationstechnik namens PCR, die Polymerase-Kettenreaktion, hervorzuheben. Die PCR ermöglicht es, spezifische Gene zu isolieren und endlos zu kopieren, sodass genug für eine detaillierte Untersuchung, beispielsweise der DNA-Sequenz eines Gens, zur Verfügung steht. Und in der Sequenz – eigentlich den Unterschieden in den Sequenzen von einem Organismus zum anderen – kann man die Identität der Mikroben erkennen.



Zu den neuen Werkzeugen gehören neben der PCR die Rapid-Sequencing-Technologie, die schnelle Computerverarbeitung von Gensequenzdaten und die immer genauere Elektrophorese-Technologie, die Gene in einem Gel oder einer Flüssigkeit elektrisch nach Größe trennt.

Eines der wichtigsten analytischen Ziele solcher Arbeiten ist die ubiquitäre RNA (Ribonukleinsäure) in Ribosomen, den kleinen runden Körpern, die lebende Zellen als Proteinbauelemente verwenden. Alle Zellen haben Ribosomen, und da sich die darin enthaltene RNA von Spezies zu Spezies leicht unterscheidet, dient sie als zuverlässiger Marker - eine Art molekulare Erkennungsmarke -, die zur Identifizierung, Klassifizierung und Analyse jeder neuen Mikrobe verwendet werden kann.

weiß was du nicht weißt

Das überraschende Ergebnis ist, dass überall, wo Forscher diese neuen Techniken anwenden, sie auf seltsame neue Bakterien stoßen, in einer Fülle und Vielfalt, die niemand wirklich erwartet hat. Zum Beispiel, wie Paul Dunlap, Associate Scientist an der Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts, in der Woods Hole-Publikation Oceanus erklärt, ist das mikrobielle Leben des Meeres so unglaublich reichhaltig, dass in einigen Fällen Organismen in außergewöhnlich hoher Zahl vorkommen, bis zu etwa 100 Milliarden pro Milliliter Meerwasser. Tatsächlich sind im Meer lebende Organismen mit einem Durchmesser von weniger als 2 Mikrometern so häufig, dass sie 95 Prozent der Masse aller Lebensformen in den Weltmeeren ausmachen.

Auch Sedimentböden, selbst der uralte Schlamm, der sich auf dem Tiefseeboden abgelagert hat, sind reich an Mikroorganismen. Kürzlich durchgeführte Bohrungen in den Boden des Japanischen Meeres brachten beispielsweise Proben aus Sedimentschichten, die 500 Meter tief vergraben sind und die Millionen von Organismen in jedem Gramm Boden enthalten.



Neue Reiche

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Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass selbst ein winziger Schluck Wasser oder eine kleine Bodenprobe genügend Bakterien enthält – die meisten von ihnen waren zuvor unbekannt –, um Forscherteams jahrelang zu beschäftigen. Es gibt neue Gene, neue Enzyme und neue Funktionen, von denen wir nichts wissen, bemerkt Simon, und die Daten stapeln sich zu schnell, um detailliert analysiert zu werden. Sie (die Mikroben) haben sogar verschiedene Arten von Zellmembranen, was darauf hindeutet, dass ganz neue Bereiche der Biologie erforscht werden müssen.

Da jeder Organismus seine eigenen Gene, charakteristische Biochemie, Struktur und Verhalten hat, ist das industrielle Potenzial riesig. Jede Art beherbergt zwischen 1.000 und 5.000 Gene, deren biochemische Eigenschaften größtenteils noch unbekannt sind. Es ist also wahrscheinlich, dass neue Enzyme, Lebensmittel, Medikamente, Chemikalien, Materialien und Verfahren entdeckt werden. Bakterien, die beispielsweise in der lebensfeindlichen Umgebung von heißen Quellen leben können, haben spezielle Enzyme hervorgebracht, die bei hohen Temperaturen eine hervorragende Leistung erbringen und bei der chemischen Verarbeitung von Nutzen sein könnten. Außerdem, sagt Pace, stellen einige Mikroorganismen Substanzen her, die in fast siedendem Wasser an Oberflächen haften, was bei bestimmten Herstellungsvorgängen wertvoll sein könnte.

Aus evolutionärer Sicht, so Simon, sollte es nicht überraschen, dass so viele verschiedene Arten von Bakterien existieren, selbst an Orten, an denen sie einst unwahrscheinlich erschienen. Immerhin war die Welt 3 Milliarden Jahre lang von Bakterien bevölkert und wahrscheinlich nur sehr wenig. Diese einzelligen Organismen hatten also viel mehr Zeit, sich zu entwickeln als die meisten anderen Lebewesen auf der Erde.

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