Extremophile Bakterien

Transkript

1 Extremophile Bakterien Magdalena Brunner 25. Mai 2011

2 Inhalt 3 Domänen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilität Zusammenfassung

3 3 Domänen Modell Unterteilung des Tree of Life in 3 Gruppen Unterschiede von rrna Sequenzen als Klassifikationskriterium evolutionärer Stammbaum

4 3 Domänen Modell Eukaryoten Lebewesen mit Zellkern und Kernmembran meist größere Zellen als Prokaryoten Prokaryoten zelluläre Lebewesen ohne Zellkern Bakterien Archaea: viele extremophile Arten, stehen Eukaryoten sehr nahe

5 Verschiedene Arten der Extremophilie Thermophilie Psychrophilie/Kryophilie Halophilie Acidophilie und Alkaliphilie Barophilie/Piezophilie Radiophilie

6 Thermophilie Umweltbedingungen T opt C, T max 121 C

7 Thermophilie Umweltbedingungen T opt C, T max 121 C Natürliche Konsequenzen Aufbrechen von chemischen Verbindungen DNA & Proteine Über 75 C Degeneration von Chlorophyll

8 Thermophilie Umweltbedingungen T opt C, T max 121 C Natürliche Konsequenzen Aufbrechen von chemischen Verbindungen DNA & Proteine Über 75 C Degeneration von Chlorophyll Vorkommen Geysire, hydrothermale Quellen (Black Smokers)

9 Thermophilie Organismen Pyrolobus fumarii, Strain 121 (Archaea) Pompeji Wurm (Eukaryoten)

10 Alvinella Pompejana (Pompeji Wurm) Gattung: Alvinella, Eukaryoten Lebensraum: hydrothermale Quellen, östlicher Pazifischer Ozean Merkmale und Lebensweise: 10 bis 13cm lang, weiß-grau symbiotische Bakterienkolonien In Röhren an Black Smokers 80 C Ruhezustand für Eier bei zu niedriger Temperatur

11 Psychrophilie/Kryophilie Umweltbedingungen -10 C bis 20 C, T opt 15 C

12 Psychrophilie/Kryophilie Umweltbedingungen -10 C bis 20 C, T opt 15 C Natürliche Konsequenzen Gefrieren von zelleigenem Wasser erstarrte Zellmembran Frostschutzmittel (z.b. Glycerin), ungesättigte Fettsäuren in der Zellmembran

13 Psychrophilie/Kryophilie Umweltbedingungen -10 C bis 20 C, T opt 15 C Natürliche Konsequenzen Gefrieren von zelleigenem Wasser erstarrte Zellmembran Frostschutzmittel (z.b. Glycerin), ungesättigte Fettsäuren in der Zellmembran Vorkommen Arktis, Antarktis; eingeschlossen in Flüssigkeitsbläschen in tiefen, kalten Wasserschichten von Ozeanen

14 Psychrophilie/Kryophilie Organismen Chlamydomonas nivalis (Algen, Eukaryoten) Flavobacterium islandicum (Bakterien) Methanogenium frigidum (Archaea)

15 Chlamydomonas nivalis (Schneealge) Gattung: Chlamydomonas, Grünalgen, Eukaryoten Lebensraum: Schnee/Eis; polare Gebiete und Gebirge Merkmale und Lebensweise: 10 bis 20µm große Zellen rote Färbung wegen Carotinoiden Schutz vor intensiver UV-Strahlung

16 Halophilie Umweltbedingungen Umgebung mit erhöhter Salzkonzentration (bis zu 30%iger Kochsalzlösung)

17 Halophilie Umweltbedingungen Umgebung mit erhöhter Salzkonzentration (bis zu 30%iger Kochsalzlösung) Natürliche Konsequenzen Wasserverlust der Zellen Beeinträchtigung der Stoffwechselprozesse Regulation der zelleigenen Salzkonzentration

18 Halophilie Umweltbedingungen Umgebung mit erhöhter Salzkonzentration (bis zu 30%iger Kochsalzlösung) Natürliche Konsequenzen Wasserverlust der Zellen Beeinträchtigung der Stoffwechselprozesse Regulation der zelleigenen Salzkonzentration Vorkommen Salzseen, Verdunstungsbecken, Küstenstreifen

19 Organismen Halobacterium (Archaea) Dunaliella (Eukaryoten)

20 Halobacterium Gattung: Archaea Lebensraum: saline Gebiete mit Salzkonzentrationen bis zu 5.2Mol Merkmale und Lebensweise: Aerob oder anaerob ausgefallene Zellformen möglich (Rechtecke, Dreiecke) Bacteriorhodopsin als Protonenpumpe zur Energiegewinnung

21 Acidophilie und Alkaliphilie Umweltbedingungen ph Wert < 3 oder ph Wert > 9

22 Acidophilie und Alkaliphilie Umweltbedingungen ph Wert < 3 oder ph Wert > 9 Natürliche Konsequenzen Instabilität von Proteinen und DNA gestörte Biochemie Zu hohe oder verminderte Reaktionsfähigkeit von H + Ionen ph Wert im Cytoplasma neutral gehalten, angepasste Protonen-Pumpen-Effizienz

23 Acidophilie und Alkaliphilie Umweltbedingungen ph Wert < 3 oder ph Wert > 9 Natürliche Konsequenzen Instabilität von Proteinen und DNA gestörte Biochemie Zu hohe oder verminderte Reaktionsfähigkeit von H + Ionen ph Wert im Cytoplasma neutral gehalten, angepasste Protonen-Pumpen-Effizienz Vorkommen Acidophile: vulkanische Böden, Abwasser von Metallgewinnung Alkaliphile: carbonathaltige Böden, Sodaseen

24 Acidophilie und Alkaliphilie Organismen Acidophile: Acidobacterium (Bakterien), Sulfolobus (Archaea) Alkaliphile: Spirulina (Bakterien), Nitrobacter (Bakterien)

25 Sulfolobus acidocaldarius Gattung: Archaea Lebensraum: hydrothermale Quellen, Vulkane Merkmale und Lebensweise: Aerob, chemoautotroph lebt bei 75 C und ph Werten von 2-3 oxidieren Eisen, Schwefel, Schwefelwasserstoff und Schwefelsäure

26 Barophilie/Piezophilie Umweltbedingungen Hoher hydrostatischer Druck

27 Barophilie/Piezophilie Umweltbedingungen Hoher hydrostatischer Druck Natürliche Konsequenzen Verdichtung der Lipide in den Membranen verminderte Membran-Fluidität

28 Barophilie/Piezophilie Umweltbedingungen Hoher hydrostatischer Druck Natürliche Konsequenzen Verdichtung der Lipide in den Membranen verminderte Membran-Fluidität Vorkommen Tiefsee

29 Inhalt 3 Doma nen Modell Verschiedene Arten der Extremophilie Zusammenhang mit Habitabilita t Zusammenfassung Barophilie/Piezophilie Organismen Photobacterium profundum (Bakterien) Pyrococcus (Archaea)

30 Photobacterium profundum Gattung: Bakterien Lebensraum: Tiefsee Merkmale und Lebensweise: optimales Wachstum bei 9-15 C und MPa 2-4µm lang

31 Radiophilie Umweltbedingungen Hochenergetische Strahlung (UV, Röntgen, α, β, γ Strahlung)

32 Radiophilie Umweltbedingungen Hochenergetische Strahlung (UV, Röntgen, α, β, γ Strahlung) Natürliche Konsequenzen Schäden an der DNA Verhinderung der Replikation

33 Radiophilie Umweltbedingungen Hochenergetische Strahlung (UV, Röntgen, α, β, γ Strahlung) Natürliche Konsequenzen Schäden an der DNA Verhinderung der Replikation Vorkommen Hochgebirge, Abwasser von Atomreaktoren

34 Radiophilie Organismen Cryptococcus neoformans (Eukaryoten) Deinococcus radiodurans (Bakterien)

35 Deinococcus radiodurans Gattung: Bakterien Lebensraum: Radioaktives Kühlwasser von Atomreaktoren, menschlicher Darm, antarktisches Gestein Merkmale und Lebensweise: Nahezu immun gegen ionisierende Strahlung Perfektionierter DNA-Reparaturmechanismus Starke Zellwand, 4 bis 10 Kopien des Genoms

36 Zusammenhang mit Habitabilität Frage: Wenn auf der Erde Extremophile an die unmöglichsten Umweltbedingungen angepasst sind, warum nicht auch auf anderen, für uns nicht habitablen, Planeten? Mögliche Szenarien: Entstehung von Extremophilen in habitablen Bedingungen Anpassung an extreme Bedingungen Entstehung in extremen Bedingungen Extremophile als universeller Bestandteil des Lebens Entstehung unter habitablen Bedingungen, Panspermie wo ist der Ursprung?

37 Tardigrada (Bärtierchen) Gattung: Eukaryoten Lebensraum: Meere, Süßwasser, Moose, Waldboden Merkmale und Lebensweise: bis zu einem mm groß, 8 Beine geschlechtliche und ungeschlechtliche Fortpflanzung Pflanzenzellen oder kleine Tiere als Nahrung (Fadenwürmer) Oft Wachstum durch Zellwachstum und nicht Zellvermehrung

38 Tardigrada (Bärtierchen) Besondere Eigenschaften Starke Strahlungsresistenz Zysten/Tönnchenbildung zum Abschirmen gegen schädliche Umweltbedingungen Kryptobiose (kälteresistenter, todesähnlicher Zustand) Überlebt bis zu 10 Tage im All Diskussion: Überadaption nicht Folge von natürlicher Selektion Zeichen von extraterrestrischem Ursprung?

39 Zusammenfassung Mikroorganismen in den unterschiedlichsten Lebensbedingungen bekannt Extremophile aus allen 3 Domänen Einige Arten sehr resistent gegen Strahlung und kryoresistent Panspermie möglich? Bewohnte Planeten außerhalb erdähnlicher Habitabilität durchaus denkbar

40 Referenzen R. Cavicchioli. Extremophiles and the Search for Extraterrestrial Life. Astrobiology, 2: , August H. J. Cleaves and J. H. Chalmers. Extremophiles May Be Irrelevant to the Origin of Life. Astrobiology, 4:1 9, March Applied Network Research. Hpwren - research and education network. L.J. Rothschild and R.L. Mancinelli. Life in extreme environments. Nature, 409: , February 2001.