Mikrobiologie: Reiter auf der Feuerkugel
An heißen Quellen am Meeresgrund stießen Forscher auf das bisher kleinste Lebewesen. Mit gerade nur dem theoretisch geforderten Minimalsatz an Genen ist es so ungewöhnlich, dass es eine neue Abteilung im Urreich der Archaeen begründet.
Erinnern Sie sich? Vor sechs Jahren machten angebliche Bakterien vom Mars Schlagzeilen. Nasa-Wissenschaftler entdeckten auffällige Strukturen in dem Meteoriten ALH84001, der einst vom Roten Planeten zu uns gelangt war, und interpretierten sie als versteinerte Überreste von Mikroben. Die vermeintlichen Mikrofossilien sahen irdischen Bakterien durchaus ähnlich, waren mit einer Länge von nicht einmal hundert Nanometern (millionstel Millimetern) aber nur knapp ein Zehntel so groß.
Auf Begeisterung stieß diese Meldung bei all jenen, die Leben auf dem Mars für möglich halten. Außerdem fühlte sich eine kleine Gruppe von Forschern bestätigt, die meint, ähnliche Winzlinge müssten auch die Erde bevölkern – obwohl außer theoretischen Spekulationen, fragwürdigen fossilen Spuren und ebenso zweifelhaften Erbsubstanz-Nachweisen durch Fluoreszenz nichts Handfestes dafür spricht.
Die Mehrheit der Mikrobiologen nahm derlei Nanobakterien oder "Nanoben", wie sie in Anlehnung an Mikroben getauft wurden, denn auch ebenso wenig ernst wie die Behauptungen über fossile Organismen in Marsmeteoriten. Allein um die für die Lebensvorgänge notwendigen molekularen Maschinen in eine Zellmembran einzupacken, würde ein Mem-branschlauch mit 50 Nanometern Durchmesser bei weitem nicht ausreichen, argumentieren sie – schließlich messe ein Ribosom, die Proteinfabrik der Zelle, allein schon 25 Nanometer. Außerdem war es nie gelungen, eine der behaupteten Nanoben im Labor zu kultivieren.
Doch nun gibt es erstmals unwiderlegliche Beweise für einen Winzling, der mit 400 Nanometern Durchmesser zwar nicht ganz so klein ist wie die angeblichen Marsbakterien, aber doch alles weit unterbietet, was im Mikrobenreich bisher als Zwerg galt. Wissenschaftler um Karl-Otto Stetter am Archaeenzentrum der Universität Regensburg entdeckten die neuartigen Nanoben als Trittbrettfahrer in der Kultur eines anderen Organismus. Diesen hatte Harald Huber aus Stetters Gruppe vor zwei Jahren auf dem Kolbeinsey-Rücken, einem submarinen Vulkangebiet nördlich von Island, in 120 Meter Tiefe aufgespürt. Er gehört zu den urtümlichen Archaeen, die wegen etlicher Besonderheiten von den echten Bakterien, den Eubacteria, unterschieden werden. Eine dieser Eigentümlichkeiten ist, dass sich viele Archaeen nur unter Extrembedingungen richtig wohl fühlen. So gedeiht die von Huber aufgefundene Art am besten bei Temperaturen um 90 Grad Celsius, was ihr den Namen Ignicoccus ("Feuerkugel") eintrug.
Doch das blieb nicht ihre einzige Besonderheit. Unter dem Mikroskop im Regensburger Labor wartete die Feuerkugel mit einer weiteren Überraschung auf: Auf ihrer Oberfläche saßen winzige Knöllchen, nur wenig größer als ein Pockenvirus. Anfärbeexperimente zeigten, dass sie DNA enthielten. Außerdem waren sie von einem so genannten S-Layer umgeben, einer im Archaeenreich typischen Sorte von Zellhülle. Handelte es sich um eigenständige Organismen, die womöglich einer bisher unbekannten Archaeen-Art angehörten?
Unpassender Angelhaken
Das festzustellen erwies sich als schwierig. Zusammen mit den Ignicocci gedeihen die Knöllchen zwar prächtig; im Durchschnitt kommen zwei von ihnen auf eine Feuerkugel. Aber eine Kultivierung ohne den großen Partner gelang bisher nicht. Wohl lösen sich die Anhängsel von ihren Trägern, sobald die Nährstoffe im Kulturmedium zur Neige gehen. Dann kann man sie durch einfache Mikrofiltration abtrennen. Doch für sich allein vermehren sie sich nicht mehr. Da nutzt es auch nichts, abgetötete Zellen von Ignicoccus zuzugeben. Selbst lebende Feuerkugeln hinter einer durchlässigen Mem-bran reichen nicht. Die Winzlinge gedeihen erst wieder, wenn sie sich auf ihrem Wirt ansiedeln können.
Um dennoch nachzuweisen, dass es sich um eine eigene Spezies und nicht etwa um Ableger oder Viren handelt, fischten die Regensburger Mikrobiologen mit speziellen Sonden nach einem Gen, über das jedes Lebewesen verfügt. Es enthält den Bauplan für die so genannte ribosomale RNA, die den Hauptbestandteil der zellulären Proteinfabriken bildet.
Der Versuch verlief jedoch zunächst enttäuschend: An die Angel ging nur das Gen von Ignicoccus selbst. Aber das Stetter-Team gab nicht auf und entdeckte bei eingehenderen Studien den Grund für den Fehlschlag: Die Kügelchen verfügen über eine ribosomale RNA, die sich von allen bekannten Versionen so radikal unterscheidet, dass die herkömmlichen Sonden das zugehörige Gen nicht erkennen.
Das bewies nicht nur, dass es sich bei den Knöllchen um eine eigene Art handelt, sondern dass sie auch eine Sonderstellung unter den bekannten Archaeen einnimmt. Deshalb mussten die Forscher gleich eine neue Abteilung für sie einrichten, die sie Nanoarchaeota nannten. Sie steht nun gleichrangig neben drei anderen Hauptabteilungen im Urreich der Archaea. Der Winzling selbst erhielt, weil er auf der Feuerkugel "reitet", den Namen Nanoarchaeum equitans.
Er dürfte nicht lange allein bleiben. Mit neuartigen Sonden, die der Besonderheit dieses Organismus Rechnung tragen, wird man wohl alsbald auch Vettern und Cousinen von ihm aufspüren. Dass diese ganze Sippschaft so lange unerkannt blieb, weist auf ein fundamentales Problem der Mikrobiologie hin. Um eine neue Art zweifelsfrei beschreiben und einordnen zu können, müssen die Forscher sie im Labor kultivieren. Dies gelingt aber nur für einen verschwindend kleinen Bruchteil der in der Natur vorkommenden Arten. Speziell im Urreich der Archaeen sind viele Organismen lediglich in Gestalt von Genschnipseln bekannt, die Wissenschaftler aus der freien Wildbahn gefischt haben. Und die Dunkelziffer der Arten, die dabei durch die Maschen geschlüpft sind, liegt vermutlich sehr hoch.
Damit entgehen den Mikrobiologen möglicherweise ganze Horden von ungewöhnlichen oder urtümlichen Organismen, die faszinierende Aufschlüsse über die Frühzeit der Evolution und die Grenzen des Lebens auf der Erde geben könnten. Der jetzt entdeckte zwergenhafte Feuerreiter zum Beispiel besitzt eines der kleinsten bekannten Genome. Mit weniger als einer halben Million DNA-Buchstaben umfasst es vermutlich nicht einmal 400 Gene. Dieser Wert liegt sehr nah an dem von Theoretikern formulierten Minimalsatz für eine lebende Zelle.
Es wäre verlockend, daraus zu folgern, dass N. equitans auf einer frühen Stufe der Evolution des Lebens stehen geblieben ist. Ebenso gut könnte aber auch das Gegenteil zutreffen: dass die Nanobe auf Grund einer hochspezialisierten Lebensweise im Laufe der Zeit reihenweise Gene verlor, die sie nicht mehr benötigte. Erst wenn weitere Mitglieder der Nanoarchaeota als Vergleichsobjekte vorliegen, wird sich entscheiden lassen, ob dieser Zwerg sein genetisches Minimalprogramm einem Stillstand oder einer Schrumpfkur verdankt. Und erst wenn wir sehr viel mehr über die Archaeen wissen, werden wir in der Lage sein, sinnvolle Aussagen über mögliches Leben auf anderen Planeten zu machen. Solange uns selbst auf der Erde ein Großteil der Mikrobenarten durch die Lappen geht, können wir unmöglich ausschließen, dass sich auf dem Mars vielleicht doch exotische Lebensformen tummeln, die sich unsere Lehrbuchweisheit bisher nur einfach nicht träumen ließ.
Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 2002, Seite 21
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
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