Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum färbt Salzseen rot

Frankfurt - Sie ist rot, liebt Salz, ist kein Bakterium und nutzt die Energie der Sonnenstrahlung: Die Mikrobe des Jahres 2017 ist Halobacterium salinarum. Der Organismus gehört zu den Archaeen, einer der drei Domänen der Lebewesen, und ist mit den Eukaryoten enger verwandt als mit den Bakterien. Haloarchaeen, wie sie deshalb korrekterweise genannt werden müssten, verfügen über eine ganz spezielle Form der Photosynthese: Zur Lichtabsorption nutzen sie Bakteriorhodopsin anstelle von Chlorophyll. Das Protein ist mit dem Rhodopsin verwandt, dem Sehpurpur in der Netzhaut des Auges. Beide Pigmente enthalten als lichtempfindlichen Bestandteil Retinal, eine Variante des Vitamin A. Vergleichende genetische Analysen lassen vermuten, dass das Rhodopsin der Wirbeltiere im Lauf der Evolution aus dem Bakteriorhodopsin hervorgegangen ist. Inzwischen hat man in den Archaeen weitere Rhodopsine entdeckt, die als Werkzeuge im hochaktuellen Forschungsfeld der Optogenetik zum Einsatz kommen. Denn der Einbau in Nervenzellen ermöglicht es, deren Aktivität durch Licht zu steuern und so neurodegenerative Erkrankungen besser zu erforschen.

„Die Wiege unseres Sehpurpurs lag wohl schon in den Genen der Halobakterien – ihr Bakteriorhodopsin brachte uns das Licht“, sagte Harald Engelhardt, Sprecher der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie bei Bekanntgabe der diesjährigen Mikrobe des Jahres. Vor 44 Jahren hatte der deutsche Biochemiker Dieter Oesterhelt nachgewiesen, dass ein rhodopsinähnliches Protein in der Zellmembran von Halobacterium salinarum als „lichtgetriebene Protonenpumpe“ fungiert. Bei Bestrahlung pumpt das Molekül Protonen aus der Zelle, so dass beim Rückfluss Energie in Form von enzymatisch erzeugtem ATP gespeichert werden kann. Im Gegensatz zur Photosynthese der Algen, Pflanzen und Cyanobakterien wird dabei aber kein Sauerstoff durch Wasserspaltung freigesetzt und kein Kohlendioxid assimiliert. Durch Licht aktiviert, nimmt das rötliche Bakteriorhodopsin eine gelbliche Farbe an. Zwei weitere Rhodopsine, sogenannte Sensorrhodopsine, befähigen die Archaeen zur Phototaxis: Sie meiden schädliches UV-Licht und bewegen sich mit Hilfe ihrer durch ATP angetriebenen Flagellen bevorzugt auf oranges Licht zu.

Während viele Archaeen nur unter Sauerstoffausschluss leben können – beispielsweise in heißen Tiefseequellen oder als Teil der Darmflora – nutzen die Halobakterien den Sauerstoff zur Energiegewinnung. Sinkt der Sauerstoffgehalt der Umgebung, schalten sie auf Sonnenenergie um. Sie verursachen auch die rote Färbung von Salzseen und Salinen, wozu neben Bakteriorhodopsin in stärkerem Maße noch andere Pigmente wie Bakterioruberine beitragen. Bereits vor hundert Jahren entdeckte Heinrich Klebahn die roten Mikroben als Ursache eines rötlichen Belags auf Seefisch, der in Salz gelagert war. Er stellte fest, dass sie zum Wachstum auf sehr hohe Kochsalzkonzentrationen angewiesen sind – die Nährlösung musste einen Salzgehalt von mindestens 20 Prozent haben, damit die Zellen nicht platzten. Die bevorzugte Wachstumstemperatur liegt bei etwa 40 Grad. Selbst gesättigte Salzlösungen werden toleriert. Verschiedene Enzyme der Halobakterien sind für biotechnologische Anwendungen nützlich, da sie auch bei hohen Salzkonzentrationen noch funktionieren. Eingeschlossen in Salzkristallen können die Archaeen Jahrhunderte überdauern. Zudem haben sie sich als äußerst strahlenresistent erwiesen: Sie überstanden einen monatelangen Flug im Außenbereich der internationalen Raumstation ISS.