Die Membran einer Mikrobe hilft ihr, extreme Umgebungen zu überstehen.

In rauen Umgebungen wie heißen Quellen, vulkanischen Kratern und hydrothermalen Tiefsee-Schloten – für die meisten Lebensformen unbewohnbar – gedeihen mikroskopische Organismen. Wie? Es liegt alles daran, wie sie sich einpacken.

Forscher der Stanford University haben ein Protein identifiziert, das diesen Organismen hilft, eine schützende, lipidgebundene Zellmembran zu bilden – ein Schlüssel, um extrem stark sauren Lebensräumen zu widerstehen.

Wissenschaftler hatten gewusst, dass diese Gruppe von Mikroben – Archaea genannt – von einer Membran umgeben war, die aus verschiedenen chemischen Komponenten bestand als die von Bakterien, Pflanzen oder Tieren. Sie hatten lange Zeit angenommen, dass es das sein könnte, was Schutz in extremen Lebensräumen bietet. Das Team bewies diese Idee direkt, indem es das Protein identifizierte, das die ungewöhnliche Membranstruktur bei der Art Sulfolobus acidocaldarius erzeugt.

Die Strukturen der Membranen einiger Organismen bleiben in der Fossilienakte erhalten und können als molekulare Fossilien oder Biomarker dienen, was Hinweise auf das gibt, was vor langer Zeit in der Umwelt gelebt hat. Das Auffinden von konservierten Membranlipiden könnte beispielsweise vermuten lassen, wann sich ein Organismus entwickelt hat und wie das der Umstand seiner Umgebung gewesen sein könnte. Zu zeigen, wie diese Schutzmembran entsteht, könnte Forschern helfen, in Zukunft andere molekulare Fossilien zu verstehen und neue Erkenntnisse über die Evolution des Lebens auf der Erde zu gewinnen. Die Ergebnisse erschienen in der Woche vom 3. Dezember in den Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Unser Modell ist, dass dieser Organismus die Fähigkeit entwickelt hat, diese Membranen herzustellen, weil er in einer Umgebung lebt, in der sich der Säuregehalt ändert“, sagte Co-Autorin Paula Welander, eine Assistenzprofessorin für Erdsystemwissenschaften an der Stanford’s School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth). „Das ist das erste Mal, dass wir einen Teil eines Lipids mit einem Umweltzustand in Archäen in Verbindung bringen.“

Seltene Chemie

Die heißen Quellen, in denen S. acidocaldarius zu finden ist, wie beispielsweise die im Yellowstone Nationalpark, die über 200 Grad Celsius liegen, können einen schwankenden Säuregehalt aufweisen. Dieser Organismus kommt auch in Vulkankratern, hydrothermalen Tiefseeabflüssen und anderen sauren Umgebungen mit gemäßigten und kalten Temperaturen vor.

Welander interessierte sich für die Erforschung dieser Mikrobe wegen ihrer seltenen Chemie, einschließlich ihrer ungewöhnlichen Lipidmembranen. Im Gegensatz zu Pflanzen und Pilzen produzieren archäische Organismen keine schützenden Außenwände aus Cellulose und ihre Membranen enthalten nicht die gleichen Chemikalien wie Bakterien. Wissenschaftler hatten erforscht, wie die Art ihre ungewöhnliche Membran für etwa 10 Jahre herstellte, bevor die Experimente 2006 eingestellt wurden, sagte sie.

„Ich denke, wir vergessen, dass einige Dinge noch nicht erledigt sind – das habe ich sehr oft festgestellt, seit ich in die Welt der Geobiologie eingetreten bin“, sagte Welander. „Es gibt so viele Fragen, dass wir nur das Basiswissen benötigen, wie z.B.: „Was ist das Protein, das das tut? Tut diese Membranstruktur wirklich das, was wir sagen?“

Aus früheren Forschungen in Archäen wussten Welander und ihr Team, dass die Organismen eine Membran produzieren, die ein ringförmiges Molekül namens Calditol enthält. Die Gruppe dachte, dass dieses Molekül der Fähigkeit der Art zugrunde liegen könnte, Umgebungen zu widerstehen, in denen andere Organismen zugrunde gehen.

Um das herauszufinden, gingen sie zunächst durch das Genom von S. acidocaldarius und identifizierten drei Gene, die wahrscheinlich an der Herstellung eines Calditols beteiligt sind. Sie mutierten dann diese Gene einzeln und eliminierten alle Proteine, die die Gene produzierten. Die Experimente zeigten ein Gen, das bei einer Mutation S. acidocaldarius produzierte, dem es an Calditol in der Membran fehlte. Dieser mutierte Organismus konnte bei hohen Temperaturen wachsen, verwelkte aber in einer stark sauren Umgebung, was darauf hindeutet, dass das Protein notwendig ist, um sowohl die ungewöhnliche Membran herzustellen als auch dem Säuregehalt standzuhalten.

Die Arbeit war besonders herausfordernd, da Welanders Labor die hohen Temperaturen und sauren Bedingungen, unter denen die Mikroben gedeihen, nachbilden musste. Die meisten Inkubatoren in ihrem Labor konnten nur die Körpertemperatur erreichen, so dass der Hauptautor Zhirui Zeng, ein Postdoktorand in Welanders Labor, herausfand, wie man das Haus des Organismus mit einem speziellen kleinen Ofen imitieren kann, sagte sie.

„Das war wirklich cool“, sagte Welander. „Wir haben viel experimentiert, um die Chemie herauszufinden.“

Dritter Lebensbereich

Bei dieser Arbeit geht es um mehr als nur die Suche nach einem Protein, sagte Welander. Ihre Forschung untersucht Lipide, die in heutigen Mikroben vorkommen, mit dem Ziel, die Erdgeschichte zu verstehen, einschließlich alter Klimaereignisse, Massenaussterben und evolutionärer Übergänge. Aber bevor Wissenschaftler evolutionäre Eigenschaften interpretieren können, müssen sie die Grundlagen verstehen, wie z.B. die Entstehung neuer Lipide.

Archäen werden manchmal als „dritte Domäne des Lebens“ bezeichnet, wobei eine Domäne Bakterien und die andere eine Gruppe von Pflanzen und Tieren ist – zusammen bekannt als Eukaryoten. Archäaea umfasst einige der ältesten und am häufigsten vorkommenden Lebensformen auf dem Planeten, ohne die das Ökosystem zusammenbrechen würde. Archäen sind besonders anomale Mikroben, die eines Tages mit Bakterien verwechselt werden und aufgrund ihrer einzigartigen Molekularstruktur mit Pflanzen oder Tieren verglichen werden.

Die Forschung ist besonders interessant, da die Klassifizierung für Archäen noch immer von Taxonomen diskutiert wird. Erst in den letzten zwei Jahrzehnten, nach der Entwicklung der genetischen Sequenzierung in den 1970er Jahren, wurden sie von den Bakterien- und Eukaryotendomänen getrennt.

„Es gibt bestimmte Dinge an Archäen, die anders sind, wie die Lipide“, sagte Welander. „Archäen sind heute ein großes Forschungsgebiet, weil sie diese andere Domäne sind, die wir studieren und verstehen wollen – und sie sind wirklich cool.“

Teilen Ist Liebe! ❤

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

shares