Lehrstuhl für Mikrobiologie Prof. Dr. Michael Thomm

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1 Lehrstuhl für Mikrobiologie Prof. Dr. Michael Thomm Universitätsstraße 31 D Regensburg Germany /N Archaeen sind besonders durch ihre extremen Lebensbedingungen bekannt geworden. Viele Archaea leben heute bei sehr hohen Temperaturen von bis zu 113 C, niedrigen ph-werten (bis ph 0) und unter vollständig anaeroben Bedingungen. Viele nutzen molekularen Wasserstoff oder elementaren Schwefel als Energiequelle. Es ist vorstellbar, dass auch unter den Bedingungen der Urerde archaeelles Leben möglich war. Viele Forscher sind der Ansicht, dass die ersten Mikroorganismen, die in der Evolution auftauchten, bei sehr hohen Temperaturen lebten, also hyperthermophil waren. Diese Ansicht ist jedoch nicht unumstritten. In diesem Beitrag geht es einmal darum, die besondere Lebensweise und Habitate der Archaea zu charakterisieren. Auch wenn unklar ist, ob Archaea die ersten Lebewesen waren, könnten sie unter ursprünglichen Bedingungen oder auch im Weltall existieren, überall dort, wo es flüssiges Wasser und Vulkanismus gibt. Die Analyse der Molekularbiologie der Archaea hat gezeigt, dass die genetische Maschinerie dieser Organismen sehr ähnlich der eukaryotischen Maschinerie ist. Dies wirft die Frage auf, was diese große Ähnlichkeit der informationsverarbeitenden Systeme bedeutet und worauf diese zurückzuführen ist. Eine plausible Erklärung, wie dies in der Evolution entstanden sein könnte, wird im Folgenden gegeben. Die Molekularbiologie der Transkription weist bei Archaea und Eukaryoten so große Ähnlichkeiten auf, dass man annehmen kann, dass die heutige eukaryotische Maschinerie auf die Archaea zurückgeht. Die genetische Maschinerie der höheren Zellen sieht deshalb so aus wie die der Archaea, weil sie von diesen abstammt. Dies Telefon Fax (0941) (0941)

2 soll in diesem Beitrag illustriert werden. Die Entdeckung der Archaea erfolgte durch Sequenzanalyse der 16SrRNA von Carl Woese, Ende der 70er Jahre (Bild 2 und 3). Heute gibt es einen weit verzweigten 16SrRNA-Stammbaum (Bild 4). Die Hyperthermophilen sind dort rot markiert. Der Baum der Archaea (Bild 5) zeigt einige Formen der Archaea, die meisten Archaea unterscheiden sich morphologisch wenig von Bacteria. Die Unterschiede liegen in der genetischen Maschinerie und teilweise auch in der Lebensweise. Viele Archaea sind Hyperthermophile (Bild 6), d. h. sie wachsen bei Temperaturen von über 80 C optimal. Es gibt aber auch einige Archaea (Methanogene, extrem Halophile) sowie bisher wenig charakterisierte Archaeen, die bei gemäßigten Temperaturen am besten wachsen. Bild 7 zeigt eine saure Quelle in Yellowstone Nationalpark (U.S.A). Hier lebt z. B. bei 90 C und ph 2 das Archaeon Sulfolobus. In Bild 8 ist eine Quelle in einem Solfatarengebiet bei Pisciarelli Solfatara bei Neapel zu sehen. Bei niedrigeren Temperaturen von bis zu 60 C wächst die Alge Cyanidium caldarum. Bei höheren Temperaturen (80-90 C) und niedrigem ph-wert wachsen die Archaeen Sulfolobus und Acidianus. In einer Fango-Station bei Agnano Terme kommen methanogene Bakterien vor. Diese können aus Fango isoliert werden, z. B. Methanothermobacter thermoautotrophicus, der strikt anaerob auf H 2 und CO 2 bei 60 C wächst (Bild Nr. 9). Marine Hydrothermalsysteme in größerer Tiefe werden mit Hilfe von kleinen U- Booten untersucht. Hier sieht man das U-Boot Alwin vom Woods Hole Institut, U.S.A. (Bild 10). Die Black Smoker (Bild 11) in der Tiefsee entstehen durch Ausfallen von sulfidischen Mineralien in der heißen Flüssigkeit, die auf dem Meeresboden in Subduktionszonen austritt. Kein Organismus kann bei 300 C leben, aber in den Wänden dieser Smoker 2

3 gibt es steile Temperaturgradienten, die ein Wachstum Hyperthermophiler bei Temperaturen zwischen 80 und 113 C möglich machen. Hier leben z. B. Pyrolobus, Pyrococcus und Pyrodictium. Die Fermentationsanlage der Universität Regensburg (Bild 12) ist speziell für die Kultivierung von Archaea entwickelt worden. Die Fermenter sind innen liert, die restlichen Teile, die mit den Kulturmedien in Kontakt kommen, bestehen aus Titan. Diese Gefäße trotzen den aggressiven Stoffwechselprodukten der Archaea, die häufig Schwefelwasserstoff oder Schwefelsäure bilden; diese Verbindungen würden zur schnellen Korrosion von Edelstahlfermentern führen. In Habitaten mit hohen Salzkonzentrationen leben die extrem halophilen Archaea. Eine Saline auf Lanzarote ist durch eine Massenentwicklung dieser extrem halophilen Archaea gekennzeichnet (Bild 13). Die rote Färbung stammt von einem Karotinoid in der Membran der Archaeen, die dem Farbstoff in der Mohrrübe ähnelt. Einer der spektakulärsten Archaea ist Pyrodictium abyssi (Bild 14). Der Organismus bildet Netzwerke, die wie links dargestellt mit bloßem Auge zu sehen sind. Die Zellen werden durch hohle Fasern (Cannulae) verbunden. Pyrolobus fumarii (Bild 15) ist der Hitzestabilste aller bisher beschriebenen Organismen, der sogar Temperaturen von 121 C für eine Stunde überlebt. Er wächst optimal bei 113 C, und unterhalb von 95 C findet kein Wachstum mehr statt (Bild 16). Bild 17 fasst einige Befunde zur Entwicklung des Lebens auf unserer Erde zusammen. Sauerstoff entstand erst vor etwa 3 Milliarden Jahren durch Cyanobakterien. Auch vor 2 Milliarden Jahren lag diese Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre noch unter 1 %. Deshalb muss das Leben sich unter anaeroben Bedingungen entwickelt haben, Bedingungen, unter denen die meisten Archaea gut leben können. Im Bild 18 ist zusammengefasst, wie der ursprüngliche Metabolismus aussehen könnte. H 2 könnte z. B. durch die Pyritreaktion oder durch andere anorganische Reaktionen entstehen. CO 2 war ebenso wie Eisensulfid in großer Menge auf der Urerde vorhanden. 3

4 Ein auf der Oxidation von Wasserstoff und autotropher Fixierung von CO 2 beruhender Stoffwechsel der ersten Zellen erscheint plausibel. Die methanogenen Archaea nutzen CO 2 als Kohlenstoffquelle und Wasserstoff als Energiequelle, um durch anaerobe Atmung Methan zu bilden. Viele Archaea wachsen durch Verwertung anorganischer Energiequellen vor allem von Wasserstoff (Bild 19) durch anaerobe Atmung. Abb. 20 stellt den archaeellen Modellorganismus vor, den wir zur Untersuchung der Transkriptionsmaschinerie verwenden. Pyrococcus furiosus lebt bei C, ist leicht in Meerwasser auf Stärke zu züchten und wächst schnell mit einer Verdoppelungszeit von etwa 35 Minuten zu relativ hohen Zelldichten. Dieser Organismus ist über Geißeln beweglich. Mikroorganismen erreichen, gemessen an ihrer Körpergröße, erstaunliche Geschwindigkeiten. Das schnellste Lebewesen, der Gepard, kann sich mit 110 km/h bewegen, das entspricht 25 Körperlängen pro Sekunde. Bakterien dagegen bewegen sich mit bis zu 50 Körperlängen pro Sekunde und sind damit im Verhältnis zur Körpergröße schneller. Die Geiseln von Pyrococcus dienen neben der Bewegung auch der Anheftung an Oberflächen. In Abbildung 21 ist dargestellt, wie der Organismus sich mit Hilfe der Geiseln am Sand anheftet, wie er im Lebensraum dieses Organismus im seichten Wasser am Strand von Vulcano vorkommt. Man kann sich vorstellen, dass es für den Organismus, der ja von hohen Temperaturen abhängig ist, von Vorteil ist, sich in der Nähe einer heißen Quelle an eine feste Oberfläche anzuheften. Die Analyse der Molekularbiologie der Transkription hat gezeigt, dass alle wesentlichen Elemente der archaeellen Transkriptionsmaschinerie auch bei den Eukaryoten zu finden sind (Abb. 22 und 23). Der Promotor ist durch eine TATA-Box 25 Nukleotide stromaufwärts vom Transkriptionsstart und ein BRE-Element (B- Erkennungs- oder Recognition-Element) charakterisiert. Die Transkriptionsfaktoren TBP und TFB sowie die RNA-Polymerase, die aus 12 bis 15 Untereinheiten besteht, sind ebenfalls bei höheren Zellen vorhanden. All diese Komponenten sind homolog, in ihrer Struktur ähnlich aufgebaut und arbeiten in gleicher Weise zusammen, wie das bei Eukaryoten der Fall ist. 4

5 In Abbildung 23 ist der Zusammenbau der archaeellen und eukaryotischen Maschinerie am Promotor zusammengefasst. Der erste Schritt der Promotorerkennung ist die Bindung des TATA-Box-Bindeproteins an die TATA-Box. Dann tritt TFB diesem Komplex bei, in dem es sich an TBP, die RNA-Polymerase und das BRE-Element anheftet. Zuletzt wird die RNA-Polymerase rekrutiert. Die eukaryotische Maschinerie ist noch viel komplexer aufgebaut, die Grundelemente sind jedoch bei beiden Domänen sehr ähnlich. In Abbildung 24 ist die Untereinheitenstruktur und die Verwandtschaft der RNA- Polymerase-Untereinheiten in den drei Domänen des Lebens dargestellt. Gleiche Farbe bedeutet jeweils Homologie. Man sieht auf den ersten Blick die große Ähnlichkeit der archaeellen und eukaryotischen Polymerasen. Einige der kleinen Untereinheiten, wie z. B. P, N, H, F und E, sind nur zwischen der archaeellen RNA- Polymerase und RNA-Polymerase II der Eukaryoten, die die Messenger-RNA im Zellkern synthetisiert, konserviert. Wie kommt diese große Ähnlichkeit der archaeellen und eukaryotischen RNA- Polymerasen und der beiden Transkriptionsmaschinerien zustande? Eine Erklärung wäre, dass die Entwicklungslinie, die zu den Bacteria führte, sich in der Evolution früh von der Linie abgespalten hat, die zu den Archaeen und Eukaryoten führte (Abb. 25). Das heißt, Archaea und Eukaryoten hätten eine längere gemeinsame Entwicklungsgeschichte, und dies spiegelt sich in der Ähnlichkeit der genetischen Maschinerien wider. Wie ist aber aus dieser Linie die höhere Zelle entstanden? Die Endosymbiontentheorie geht davon aus, dass ein primitiver Eukaryot zunächst ein Alpha-Proteobacterium (zu dieser Gruppe gehört auch Escherichia coli) aufgenommen hat. Aus diesen bakteriellen Endosymbionten haben sich im Lauf der Zeit die Mitochondrien entwickelt. Die Aufnahme eines Cyanobakteriums führte zur Entwicklung der photosynthetischen Organellen, der Chloroplasten. Diese Theorie ist durch viele molekulare Befunde untermauert. Sie erklärt aber nicht, wie die eukaryotische Zelle entstanden ist, da sie ja voraussetzt, dass es bereits einen Eukaryoten gab, der die Bakterien aufnahm. 5

6 Die Wasserstoffhypothese von Martin und Müller liefert dagegen eine plausible Erklärung, wie die eukaryotische Zelle mit einer archaeellen genetischen Maschinerie entstanden sein könnte. Nach dieser Theorie stammt das Cytoplasma der eukaryotischen Zelle, und damit der genetische Apparat, von den Archaea ab (Abb. 26). Die eukaryotische Zelle entstand demnach durch die Fusion eines anaeroben methanogenen Archaeons und eines fakultativ anaeroben heterotrophen Bakteriums, das beispielsweise durch Glycolyse auf Zuckern lebt. Die Grundlage und den selektiven Druck für die Entstehung der Symbiose bildet der Wasserstoff, den die methanogenen Partner benötigen und den der bakterielle Partner bildet. Viele der heute lebenden Bakterien bilden unter anaeroben Bedingungen Wasserstoff, z. B. auch E. coli. Wichtig ist auch, dass der bakterielle Partner bereits in der Lage war, zu atmen und die Komponenten der Atmungskette besaß, z. B. für eine anaerobe Atmung mit Nitrat als Akzeptor. Der methanogene Partner kann gut sowohl mit geologisch gebildetem Wasserstoff leben als auch von dem Wasserstoff, den die Bakterien ausscheiden. Wenn jedoch kein geologisch gebildeter Wasserstoff zur Verfügung steht, fehlt den Methanogenen die Energiequelle. Deshalb wirkt die Selektion dahin, sich an eine sichere Wasserstoffquelle anzuheften und die Kontaktfläche im Lauf der Evolution zu vergrößern (Bild 27). Die Aufnahme darf nur nicht so weit gehen, dass der bakterielle Partner keinen Kontakt mehr mit der Umwelt hat. Nur er hat die Vorrichtungen zum Transport von organischen Verbindungen, z. B. Glukose, aus denen der Wasserstoff letzten Endes gebildet wird. Wie könnte aus dieser Situation zweier Organismen in engem Kontakt eine neuartige Zelle, der erste Eukaryot, entstehen? Durch Übertragung der Gene für den Zuckertransporter und später auch für den Zuckerabbau vom Bakterium auf das Archaeon. Genübertragung ist in eukaryotischen Zellen sehr häufig nachgewiesen worden. Viele Kerngene findet man im Genom der Organellen und umgekehrt. Jetzt ist eine paradoxe Situation entstanden (Abb. 28). Die vollständig fusionierte Zelle kann Zucker ins archaeelle Cytoplasma transportieren, diese zu Pyruvat abbauen, das im bakteriellen Teil der Zelle (ebenso wie in den heutigen Mitochondrien) veratmet werden kann (der bakterielle Partner besitzt ja schon eine Atmungskette!). Somit ist die neue Zelle plötzlich in ihrer Energieerzeugung unabhängig von Wasserstoff geworden. Die gesamte Enzymausstattung zur Autotrophie und Methanbildung ist überflüssig geworden und geht im Lauf der 6

7 Evolution verloren. Die entstandene Zelle besitzt ein Cytoplasma mit einer archaeellen genetischen Maschinerie, in der Zucker zu Pyruvat abgebaut werden und einen Endosymbionten, der Pyruvat oxidativ zu CO 2 und Wasser abbaut, wobei durch Atmung Energie erzeugt wird. Archaea besitzen auch Histone, so dass anzunehmen ist, dass das zunächst zirkuläre Chromosom der ersten Eukaryoten bereits nukleosomenähnliche Strukturen aufwies (10 nm Partikel), bei denen sich DNA um ein Tetramer der Histone A und B aus jeweils 70 Aminosäuren wickelt (Abb. 28, 29). Wenn man sich dieses mögliche Szenario und die archaeelle genetische Maschinerie in unseren Zellen vor Augen hält, dann sehen wir die in ihrer Lebensweise oft sehr extremen Archaea in einem anderen Licht. Diese Organismen sind nicht nur Extremisten am Rande des Spektrums der Lebensmöglichkeiten, die ungewöhnliche ökologische Nischen besiedeln. Die Betrachtung der Archaea auf molekularem Niveau zeigt, dass wir höhere Lebewesen mit diesen Organismen viel mehr gemeinsam haben als man zum Zeitpunkt der Entdeckung der Archaea je vermutet hätte. Danksagung: Die Forschung zur Transkription bei Archaea wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt. Gudrun Vierke danke ich für die Erstellung vieler Abbildungen. 7