Wiener Urbakterium

Autor(en)
Redaktion, Christa Schleper
Abstrakt

Wie wurden aus bakterienähnlichen Zellen Pflanzen oder Tiere? Um die Antwort auf diese Frage zu finden, hat Mikrobiologin Christa Schleper den höchstdotierten Forschungspreis der Europäischen Union erhalten.

Christa Schleper ist ein Energiebündel. Die 53-jährige Mikrobiologin wirbelt durch das kleine Büro in der Althanstraße, räumt Papierstapel vom Tisch, rückt Sessel zurecht, scherzt mit vorbeigehenden Kolleginnen und Kollegen und bietet Kaffee an. "Ich komme gerade aus Spanien zurück. Deshalb ist es hier etwas chaotisch", sagt sie und streift einen weißen Labormantel über. Dann greift sie zum Hörer und erkundigt sich noch schnell nach einem Versuchsergebnis. Offensichtlich zufrieden, setzt sie sich zum Schreibtisch, um gleich darauf wieder aufzustehen. "Das hier hat meine Tochter Antonia gemalt, als sie sechs Jahre war", erklärt sie und zeigt auf ein zuckerlrosa Bild an der Wand. "Es soll eine Bakterienmaschine sein. Mich freut das sehr, weil sie zumindest ein bisschen weiß, was ihre Mutter tut. Und schließlich kultivieren wir hier ja auch so etwas Ähnliches wie Bakterien."
Archaea als Missing Link
"Hier" ist die Division für Archaea Biologie und Ökogenomik der Universität Wien, der Schleper seit 2008 vorsteht. Die gebürtige Deutsche erforscht dort Archaea, die neben den Bakterien zu den ältesten Lebewesen der Erde gehören. "Tatsächlich gibt es einige Gemeinsamkeiten", erklärt sie. "Beide gehören zu den Prokaryonten, haben also keinen Zellkern, und sind ähnlich klein. Das Verblüffende an den Archaea ist aber, dass ihre molekulare Struktur erstaunliche Ähnlichkeiten mit der von Eukaryonten, also mit Pflanzen und Tieren, aufweist. Die Frage, die wir uns hier stellen, ist also, wie aus einem einfachen Organismus ohne Zellkern ein komplexer, mehrzelliger Organismus entstehen konnte. Dafür gibt es bis heute kein schlüssiges wissenschaftliches Modell. Bestimmte Gruppen oder Vorläufer der Archaea könnten aber das Missing Link zwischen niedrigen und höheren Lebewesen sein. Das Wissen über solche Organismen würde uns Auskunft über wichtige Übergänge in der frühen Evolution geben."

Beweise stehen aus
Um diese Hypothese zu beweisen, konzentriert sich Schleper in ihrer Forschung auf zwei Archaea-Gruppen: Zum einen auf die Lokiarchaeota, die erst vor Kurzem in Tiefseesedimenten entdeckt wurden und als die nächsten Verwandten der höheren Lebewesen gelten. "Sie haben Eigenschaften, die man bisher nur von Pflanzen und Tieren kannte. Sie können wahrscheinlich ein echtes Zytoskelett aufbauen und haben spezielle Moleküle, um ihre Membranen, also die äußeren Hüllen, zu verändern. Dies wäre eine Voraussetzung, um einen anderen Organismus verschlingen zu können und daraus eine Zellorganelle zu bilden. Heute weiß man, dass aus so einer Endosymbiose zwischen Wirtsorganismus und Symbionten auch die Mitochondrien, diese einzelligen, linsenförmigen Organellen, der höheren Lebewesen entstanden sind. Aufgrund ihrer Moleküle nehmen wir also an, dass Lokiarchaeota vielleicht noch heute in der Lage sind, andere Organismen zu verschlingen. Und das war ein wichtiger Schritt für die Evolution der höheren Lebewesen. Bislang sind das aber nur Vorhersagen aufgrund von Genmaterial. Beweisen können wir das noch nicht. Es gibt auch noch keine Laborkulturen von diesen Archaea. Da steht uns noch viel Arbeit bevor."
Umwandlung von Stickstoff
Die zweite Gruppe, die Schleper erforscht, sind die Thaumarchaeota. "Das sind die einzigen Archaea, die es geschafft haben, sich überall auf der Erde auszubreiten. Wir finden sie in Böden genauso wie im Meer, überall dort, wo es eine sauerstoffreiche Atmosphäre gibt und wo auch der Mensch überleben kann. Das Spannende an ihnen ist, dass sie Ammoniak oxidieren und somit eine wichtige Funktion im Stickstoffkreislauf haben." Ammoniak entsteht einerseits beim Verwesen von Organismen, ist aber auch ein Ausscheidungsprodukt. Da das Molekül noch verwertbare Energie enthält, haben sich bestimmte Mikroorganismen auf diese Substanz spezialisiert. Sie verwenden Ammoniak gleichsam als Treibstoff, indem sie es zu Nitrit oxidieren, also verbrennen. Auch das entstehende Nitrit wird postwendend von anderen Mikroorganismen weiterverarbeitet, übrig bleibt Nitrat. Gäbe es diese Spezialisten unter den Mikroben nicht, würden sich Ammoniak und/oder Nitrit in Böden und Gewässern anreichern und dort das Leben vergiften. Nitrat kann dagegen von anderen Mikroorganismen weiterverwertet werden und als molekularer Stickstoff zurück in die Atmosphere gelangen.

Wiener Organismus entdeckt
Ein Coup ist der Forscherin in dem Zusammenhang schon gelungen. Lange Zeit nahm man an, dass Archaea nur an extremen Standorten wie vulkanischen Quellen vorkommen. Schleper und ihr Team haben aber mithilfe molekularer Methoden vorhergesagt, dass eine bestimmte Gruppe, die heute als Thaumarchaeota bekannt sind, auch in Böden vorkommen und Ammoniak oxidieren können. Vor sechs Jahren erfolgte dann der Beweis: "Es ist uns gelungen, das erste ammoniakoxidierende Archaeon in Reinkultur zu isolieren und seine Aktivität nachzuweisen", sagt sie. "Obwohl wir viele verschiedene Böden getestet haben, konnten wir es letztendlich direkt aus dem Garten der Universität Wien kultivieren. Es war jahrelange harte Arbeit", erzählt Schleper. "Wir haben immer wieder Bodenproben genommen, Gensequenzen bestimmt, einmal mit Erde, einmal mit Ammoniak angereichert, bis wir den Organismus schließlich in Reinkultur hatten. Jetzt ist er unser Modellorganismus, an dem wir alles untersuchen können, von Proteinen bis zur Stressresistenz."
Gutes Studienobjekt
In die Literatur ging die Entdeckung ein als "Nitrososphaera viennensis", der "sphärische Ammoniakoxidierer aus Wien" Abgesehen von seiner Rolle im Stickstoffkreislauf eignet sich diese Spezies auch für andere Studien. "Man kann zum Beispiel die Fähigkeit zur Bildung von N2O, also Lachgas, überprüfen. Dieses von anderen Ammoniakoxidierern in beachtlichen Mengen ausgeschiedene Nebenprodukt trägt zum Abbau der Ozonschicht bei. Damit spielt es eine wichtige Rolle für die Erderwärmung. Organismen wie 'Nitrososphaera viennensis' sind weitverbreitet. Man findet bis zu zehn Millionen Zellen dieser Archaea in nur einem Gramm Boden. Es ist daher wichtig herauszufinden, wie viel sie zu solchen Prozessen beitragen", so die Forscherin.

Biologie abgewählt
Dass Schleper einmal so eine Begeisterung für die Mikrobiologie aufbringen würde, hat sich zunächst nicht abgezeichnet: "Mir war lange nicht bewusst, dass ich Wissenschafterin werden wollte. In Deutschland kann man Biologie in der Schule abwählen. Das habe ich getan“, erzählt sie lachend. "Dann habe ich Sprachen und Soziologie studiert. Erst über eine Freundin bin ich wieder zur Biologie gekommen. Die hat sich mit Pflanzen- und Tierbestimmungen beschäftigt und das hat mich total fasziniert."
In der Wissenschaft ist sie geblieben, weil sie neugierig ist, fantastische Professorinnen und Professoren hatte und sich nicht verbiegen musste. "Ich habe erkannt, dass in der Forschung Platz für sehr unterschiedliche Charaktere ist. Da fand ich mich wieder, weil ich keinem bestimmten Bild entsprechen musste und herumprobieren konnte." Diese ausgeprägte Faszination für Archaea hat mehrere Gründe: "Es sind faszinierende Lebewesen und ich kann an ungewöhnliche Orte fahren, um sie zu finden", sagt sie. Die Entscheidung für Wien hat sie getroffen, weil es ein guter Boden für Grundlagenforschung ist und es hier renommierte Forscherinnen und Forscher in der Mikrobiologie und Ökologie gibt.

Höchstdotierte Förderung der EU
Apropos renommierte Forscherinnen: Gemeinsam mit Veronika Sexl und Maria Sibilia wurde Schleper heuer mit dem Advanced Grant, dem höchstdotierten Forschungspreis der EU, ausgezeichnet. Die Europäische Union fördert damit grundlagenorientierte Pionierforschung. Begehrt ist der ERC nicht nur wegen des Preisgeldes von 2,5 Millionen Euro, sondern auch weil er Spielraum für unkonventionelle, risikoreiche Forschungsprojekte ermöglicht. Wichtigste Auflage: Die Arbeiten sollten bahnbrechend sein. Schleper setzt das nicht unter Druck: "Ich bin zuversichtlich, dass es uns gelingt, Organismen, die wir bisher nur vorhergesagt haben, in Kulturen oder zumindest in Mischkulturen zu bringen. Damit bekämen wir Einblicke in die frühe Evolution der höheren Lebewesen und in weitverbreitete und ökologisch relevante Mikroorganismen."

Organisation(en)
Department für Ökogenomik und Systembiologie
Journal
inwien.at
Publikationsdatum
06-2016
Publikationsstatus
Veröffentlicht
ÖFOS 2012
106022 Mikrobiologie
Link zum Portal
https://ucris.univie.ac.at/portal/de/publications/wiener-urbakterium(8e13881a-7b52-4391-a5a3-282fc5d20ed6).html