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Artikel-Schlagworte: „Bakterien“

Der menschliche Körper ist besiedelt von Bakterien. Sie leben auf unserer Haut, in den Körperöffnungen und in unserem Darm. Dort hindern sie gefährliche Keime daran, sich einzunisten und schützen uns so vor Infektionen, oder sie helfen bei der Verdauung. Wenn das Immunsystem jedoch geschwächt ist, können auch solche eigentlich harmlosen Keime ein Problem werden und uns krank machen. Diesen Beitrag weiterlesen »

Die bakterielle Vielfalt ist gigantisch groß – aber sie hält sich gern versteckt. Bis heute ist kaum ein Prozent aller Mikroorganismen im Labor kultiviert und beschrieben worden.
Bisher galt das Forschungsinteresse vor allem den Bakterien, mit denen der Mensch den Kontakt bewusst wahrnimmt: den Krankheitserregern. Dieser Umstand hat den Bakterien ein eher schlechtes Image beschert. Dabei ist es in der Welt der Mikrobiologie wie im wirklichen Leben: da warten nicht nur Spielverderber und Verbrecher, sondern auch nette Nachbarn, fleißige Helfer, Sonderlinge und vor allem die ganz Normalen. Forschern der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ) aus Braunschweig und des Joint Genome Instituts (JGI) in Kalifornien ist es zu verdanken, dass sich die Mikrobiologie fortan etwas ausgewogener präsentiert. Sie haben eine “Genomic Encyclopedia of Bacteria and Archea” (GEBA) begonnen: Die Genome von 56 “ganz normalen” Bakterien wurden nun in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Bei Genomsequenzierungen waren klinisch und biotechnologisch relevante Keime lange Zeit die unangefochtenen Spitzenreiter. “Das verzerrt den Blick auf die bakterielle Genomik.”, sagt PD Dr. Hans-Peter Klenk, Leiter der Abteilung Mikrobiologie an der DSMZ. Denn in genetischer Hinsicht sind multiresistente Staphylokokken und die Produktionsstämme wie E. coli aus der Biotechnologie keineswegs repräsentativ. Das Forscherteam hat sich deshalb gezielt die noch unsequenzierten Lücken im Bakterienstammbaum vorgeknöpft. “Mit unseren Sequenzierungen kommen wir dem wahren Spektrum der mikrobiellen Vielfalt einen entscheidenden Schritt näher”, so Klenk.

Bakterien werden bislang nur anhand kleiner molekularer Markerstücke – der ribosomalen 16S RNA – in evolutionäre Stammbäume eingeordnet. Soll ein neues Bakterium eingeordnet werden, sequenziert man das Markermolekül und vergleicht seine Übereinstimmung mit vorhandenen Daten. Je nach Position im 16S-Stammbaum kategorisieren die Forscher die Bakterien dann als sehr eng oder nur lose miteinander verwandt. Das deutsch-amerikanische Forscherteam hat nun festgestellt, dass diese Methode zwar nicht perfekt ist, aber dennoch gut geeignet scheint, um Neuentdeckungen näherungsweise einzuordnen. Trotzdem gilt laut Klenk: “Vollständige Genomdaten sind immer aussagekräftiger.”

Die Sequenzierung ganzer Genome stillt nicht nur das entwicklungsgeschichtliche Interesse. Mit jeder Totalsequenzierung finden die Forscher neue Gene. In den 56 Genomen haben die Forscher mehr als 1.700 neue Genfamilien mit bisher unbekannter Funktion entdeckt. Das liegt vor allem daran, dass die Forscher phylogenetisch breit angesetzt haben. In ihrer Publikation weisen sie nach, dass eine rein zufällige Auswahl diese erstaunliche Vielfalt nicht zu Tage gefördert hätte.

Die neuen Genfamilien sind ein reichhaltiger Schatz, der nun Schritt für Schritt von Wissenschaftlern weltweit gehoben werden kann. Denn die Daten aus dem GEBA-Projekt sind im Portal “GenBank” hinterlegt und kostenfrei zugänglich.

Quelle: DSMZ – Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH

Um die Dichte und das Volumen einzelner Bestandteile biologischer Zellen bestimmen zu können, müssen Wissenschaftler bislang üblicherweise die Proben zerstören. Größere Untereinheiten der Zelle, die aus vielen Biomolekülen bestehen, lassen sich auf diese Weise in ihrer intakten funktionellen Form meist überhaupt nicht analysieren. Wie die Architektur einer biologischen Zelle zerstörungsfrei untersucht werden kann, hat nun ein Forscherteam um Klaus Giewekemeyer und Prof. Dr. Tim Salditt vom Institut für Röntgenphysik der Universität Göttingen zusammen mit Kollegen der Technischen Universität München und der Schweizer Synchrotronstrahlungsquelle SLS gezeigt. In einer Studie berichten die Forscher über ein Experiment, bei dem sie Bakterien mit hoch intensivem Röntgenlicht beleuchtet und die Dichteverteilung aus den gestreuten Röntgenwellen ermittelt haben. Die verwendete Wellenlänge der Röntgenstrahlung ermöglicht dabei nicht nur die Vermessung von ausgedehnten Proben ohne nennenswerte Schwächung des Strahls, es lassen sich auch die lokalen Dichteunterschiede besonders gut und nahezu unabhängig von der chemischen Beschaffenheit ermitteln. Die Studie erscheint in dieser Woche in der Fachzeitschrift “Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America”.

Die Wissenschaftler haben das Bakterium Deinococcus radiodurans untersucht, einen weit verbreiteten Vertreter der Kokken-Bakterien mit erstaunlicher Anpassungsfähigkeit. Der Einzeller kann mehr als das Tausendfache der tödlichen Dosis an ionisierender Strahlung für jedes andere bekannte Lebewesen überleben. Wie das Bakterium die effiziente Reparatur von Strahlenschäden bewerkstelligt, hängt womöglich auch mit der speziellen Packung der Erbsubstanz in dem Bakterium zusammen. Unter Einsatz eines neu entwickelten Verfahrens der linsenlosen Mikroskopie mit Röntgenstrahlen ist es den Wissenschaftlern erstmals gelungen, die Erbsubstanz in der Zelle in scharfen Bildern abzubilden. Im vergangenen Jahr hatte ein Forscherteam um Pierre Thibault und Franz Pfeiffer von der TU München an metallischen Nanostrukturen gezeigt, dass sich ohne einschränkende Annahmen die Probenstruktur am Computer aus den Streuintensitäten errechnen lässt. Die nun publizierte Arbeit beweist, dass dieser Ansatz auch auf biologische Proben mit viel geringerem Kontrast übertragbar ist.

Ähnlich wie in der klassischen Röntgenstrukturanalyse trifft bei dem hier angewandten Verfahren der Röntgenstrahl nach der Interaktion mit der Probe, in diesem Fall mehreren Bakterienzellen von wenigen Mikrometern Größe, ohne weitere optische Elemente auf die Röntgenkamera, deren Bilder im Computer in ein reelles Bild des Objektes umgerechnet werden. Auf diese Weise ist es möglich, Abbildungen unabhängig von Limitierungen durch optische Elemente zu erzielen, zu denen etwa begrenzte räumliche Auflösung und Abbildungsfehler zählen. Um das winzige Signal, das von Bestandteilen einer einzelnen biologischen Zelle ausgeht, überhaupt messen zu können, muss ein sehr starker Röntgenstrahl eingesetzt werden. Hierfür kommen Synchrotronstrahlungsquellen zum Einsatz, in denen geladene Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und in eine Kreisbahn gezwungen werden, aus der sie millionenfach intensivere Röntgenstrahlung als die einer Laborquelle aussenden.

Mit dem Verfahren können nun beliebige biologische Proben analysiert werden. “Gegenüber der Elektronenmikroskopie können wir mit den Röntgenstrahlen Proben zum Beispiel in einem Gewebe tiefer durchdringen. Die Methode bietet uns ein neues, hochauflösendes Fenster in die Zelle, das die Identifikation von Zellbestandteilen ohne chemische Vorbehandlung oder mechanische Zerteilung der Probe ermöglicht”, so Doktorand Klaus Giewekemeyer. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher die Methode verfeinern, indem sie Zellen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Richtungen durchleuchten. Die dreidimensionalen Aufnahmen liefern zum Beispiel Informationen, um die Volumendichte bestimmen zu können. “Darüber hinaus werden wir die Schärfe der Bilder verbessern, indem wir die Intensität der Röntgenstrahlen erhöhen. Dabei sind wir nicht mehr auf die aufwändige Herstellung immer leistungsfähigerer Linsen angewiesen”, so Prof. Salditt, der die Doktorarbeit an der Universität Göttingen betreut. In Zukunft könnten mit der Methode wichtige Details zur Packung der Erbsubstanz im Zellinneren ans Licht gebracht werden.

Die Veröffentlichung erscheint diese Woche in der Rubrik “Early Edition” und ist dann im Internet unter der Adresse http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.0905846107 abrufbar.

Quelle: Georg-August-Universität Göttingen

Seit Mai 2009 erforschen Wissenschaftler des Max-Planck-Institutes für Marine Mikrobiologie in Bremen die Grotten von Frasassi. Die größten Kalksteinhöhlen von Italien beherbergen bakterielle Lebensgemeinschaften in unterirdischen Sulfidquellen. Die Mikroorganismen in diesem 30 Kilometer großen Kalksteinhöhlensystem sind physikalisch und geochemisch isoliert. Den Forschern bietet sich dadurch die Möglichkeit, die mikrobielle Evolution und biochemische Entwicklung der frühen Erdgeschichte nachzuvollziehen.

Auch vor den Höhlen locken farbenreiche Wassertümpel die Evolutionsforscher. Lichtabhängige, sogenannte phototrophe Mikroorganismen sind für die verschieden Farben verantwortlich. Sie existierten, lange bevor es Pflanzen auf der Erde gab. Der Leiter des Bremer Forschungsteams, Lubos Polerecky (36): “Dieses Ökosystem ist so erstaunlich! Ähnliche Systeme müssen es auf unserer Erde schon vor 2,8 Milliarden Jahren existiert haben, als Cyanobakterien unsere Welt bevölkerten und zum erstem Mal große Mengen von Sauerstoff produzierten. Dadurch konnte sich höher organisiertes Leben entwickeln, auch unseres. Wir hoffen die Mechanismen zu entdecken, die diese Entwicklung ermöglicht hat.”

Mit besonderen technischen Geräten und Methoden untersuchten die Bremer Forscher die sulfidischen Lebensräume der bakteriellen Höhlenbewohner. Sie arbeiten mit einem US-amerikanischen Team von Wissenschaftlern zusammen, welches unter der Leitung von Dr. Jennifer Macalady schon seit 2004 in den unterirdischen Gängen tätig ist.

Während die amerikanische Gruppe hauptsächlich die Beteiligung der Bakterien an der Höhlenbildung interessiert, hat das Team von Dr. Polerecky die bakteriellen Lebensgemeinschaften an den belichteten Höhleneingängen unter die Lupe genommen.

Quelle: Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie