Geheimnisse eines Überlebenden aus dem Salz

12.09.2004 - Eine Mikrobe, die im Toten Meer wächst, lehrt die Wissenschaft die Kunst der DNA Reparatur.

Wir können eine Menge von Mikroben lernen. Gerade jetzt zeigt ein winziges Lebewesen aus dem Toten Meer den Wissenschaftlern neue Dinge über Biotechnologie, Krebs und mögliches Leben in anderen Welten. Und dies ist nur der Anfang:

Diese Mikrobe, genannt Halobacterium, besitzt vielleicht den Schlüssel um die Astronauten vor der größten Bedrohung während einer Reise zum Mars zu schützen: Weltraumstrahlung. Die raue Strahlung im interplanetarischen Raum kann die Körper der Astronauten durchdringen, die DNA in ihren Zellen schädigen, was Krebs und andere Krankheiten auslösen kann. Schäden an der DNA sind auch der Grund für Krebsarten, an denen die Menschen auf der Erde leiden.

Halobacterium scheint ein Meister in der komplexen Kunst der DNA Reparatur zu sein. Diese Kunst ist es, die Wissenschaftler von ihm lernen wollen: In den vergangenen Jahren hat eine Serie von Experimenten, durchgeführt von Forschern an der University of Maryland, die Grenzen von Halobacterium's Möglichkeiten zur Selbstreparatur untersucht und dabei modernste Techniken aus der Genetik genutzt um genau zu sehen, welche molekularen Tricks der "Meister" nutzt um seine DNA intakt zu halten.

"Wir haben seine DNA komplett zersplittert. Ich meine damit, dass wir sie komplett zerstört haben, indem wir sie mit Strahlung bombardierten. Und sie können innerhalb von Stunden ihre Chromosomen vollständig wieder zusammensetzen und deren Funktionalität wieder herstellen," sagt Adrienne Kish, Mitglied der Untersuchungsgruppe, die Halobacterium an der University of Maryland studiert.

Ein Virtuose in der Kunst beschädigte DNA zu reparieren macht Halobacterium zu einer robusten, kleinen Mikrobe. In Experimenten von den Wissenschaftlern in Maryland hat Halobacterium, normalerweise tödliche Dosen ultravioletter Strahlung, extreme Trockenheit und sogar das Vakuum des Weltraums überlebt.

Das Tote Meer ist gar nicht so Tod

Aber warum ist Halobacterium solch ein zäher Überlebenskünstler? Was hat dazu geführt, dass es solch geschickte DNA Reparaturmechanismen entwickelt hat? Und wie arbeiten diese Mechanismen?

Jocelyne DiRuggiero, Leiterin der Maryland Forschungsgruppe, versucht diese Fragen seit 5 Jahren zu beantworten. Sie glaubt, dass die Antwort auf diese Fragen darin liegt, dass Halobacterium normalerweise an recht unwirtlichen Orten lebt: sehr salziges Wasser, wie das im Toten Meer.

Die meisten Lebewesen im Meer würden sehr schnell im salzigen Wasser des Toten Meeres, dass 5 bis 10 Mal salziger ist als normales Meerwasser, zusammenschrumpfen und sterben. Der extreme Salzgehalt beschädigt die Zellen eines Organismus und speziell die DNA in den Zellen. Dies geschieht, weil DNA Moleküle es gewohnt sind, von einem dichten Schwarm aus Wassermolekülen umringt zu sein. Außerdem ist die DNA sogar abhängig vom Einfluss dieser Wassermoleküle, um seine Doppelhelix Struktur intakt zu halten und Schäden zu vermeiden. In sehr salzigem Wasser dünnt das gelöste Salz die Wassermoleküle aus. Wenn ihnen teilweise der Kontakt zu Wasser, dass sie benötigen genommen wird, erleiden große Teile der DNA Beschädigungen und zerbrechen sogar, was die Zelle dazu bringt, nicht mehr zu funktionieren oder zu sterben.

Die Anpassung an diese salzige Lebensumgebung könnte erklären, warum Halobacterium so gut darin ist Strahlung und andere Verwüstungen zu überleben, vermutet DiRuggiero:

"Hohe Salzkonzentrationen führen zu den Gleichen Schädigungen an der DNA wie Strahlung, " erklärt sie. "Hat sich der Organismus an den extremen Salzgehalt angepasst, besitzt er die Funktionalität um diese Beschädigungen zu reparieren, wenn sie durch Strahlung ausgelöst werden."

DiRuggiero und ihre Forschergruppe haben angefangen, diese DNA Reparaturmechanismen in einer aktuellen Serie von Experimenten zu entschlüsseln, die von NASA's Exploration Systems Mission Directorate gefördert werden.

In einigen Experimenten setzen sie Zellen von Halobacterium einem Strahl von intensiver UV-Strahlung aus. "Wir benutzten UV-C Licht mit 254 nm Wellenlänge, welches die tödlichste Wellenlänge für UV Strahlung ist" sagt DiRuggiero. Die meisten Mikroben, wie E. coli die im menschlichen Darm leben, wären vollständig zerstört worden. Von den Halobacterium Zellen überlebten jedoch 80 %. Sie lebten weiter und reproduzierten sich ohne Probleme.

In anderen Experimenten benutzten die Forscher eine Vakuumkammer an NASA's Goddard Space Flight Center um die Zellen von Halobacterium einem Weltraum ähnlichen Vakuum auszusetzen (1 Millitorr). Hier hat das Leben in sehr salzigem Wasser sich als Rettung für das Halobacterium gezeigt, als das Vakuum dafür gesorgt hat, dass das Wasser verdunstete, blieb das Salz zurück und formte Salzkristalle. Die winzigen Zellen von Halobacterium wurden in diesen Kristallen eingefangen, zusammen mit ein wenig eingeschlossenem Wasser.

"Diese Salzkristalle sind wie kleine Häuser, in denen sich die Zellen davor schützen noch weiter ausgetrocknet zu werden" erklärt DiRuggiero. Die Zellen können in diesem Zustand des Halbschlafs in den Kristallen für eine lange Zeit überleben. Wenn sie wieder in Wasser gelöst werden, kehren die Zellen zurück zum Leben, reparieren die Schäden an ihrer DNA, die durch die teilweise Austrocknung verursacht wurden, und fahren fort wie bisher.

Einige Wissenschaftler behaupten sogar, lebende Halobacterium Zellen in Salzdepots gefunden zu haben, die 250 Millionen Jahre alt sind. (mehr dazu in den journal references am Ende des Textes) Die Behauptung ist umstritten, aber wenn sie wahr ist, könnte dies entscheidende Einflüsse auf die Suche nach Leben auf dem Mars haben. Beweise von den Mars Rovern Spirit und Opportunity, die im März veröffentlicht wurden, zeigen, dass die Marsoberfläche einst Pools mit salzigem Wasser besaß, dass langsam verdunstet ist.

"Wenn sich also Leben auf dem Mars entwickelt hat und das Wasser dann verdunstete, und wenn die Mikroben in Salzkristallen eingeschlossen sind, könnten sie immer noch dort sein, und immer noch lebensfähig. Unter Berücksichtigung der Daten von der Erde ist dies auf jeden Fall möglich" sagt Kish.

Lesen im "Buch des Lebens"

Um zu verstehen, wie diese Zellen von Halobacterium es geschafft haben die Experimente zu überleben, schickte DiRuggiero's Team die "Opfer" zum Institute for Systems Biology in Seattle. Dort benutzten die Wissenschaftler ein modernes Tool der Genetic, genannt "DNA microarray" um ein vollständiges Bild von Halobacterium's Antwort auf die Zerstörung zu erhalten: den ganzen Satz von molekularen Mechanismen die aktiv werden durch Einfluss der UV Dosis oder einem weltraumähnlichen Vakuum.

Diese "molekularen Reparaturmechanismen" gehören zu einer Kategorie von Proteinen, genannt Enzyme. Enzyme sind die Arbeitspferde aller lebenden Zellen, sie katalysieren die tausenden von chemischen Reaktionen, die für das Leben notwendig sind, wie das Aufbrechen der Nahrung oder die Reparatur von Fehlern in der DNA. Halobacterium hat ständig eine gewisse Menge von Reparaturenzymen auf Lager. Wenn also eine Strahlendosis auftritt, kann dieser Satz von Enzymen eine schnelle "Erste Hilfe" für die DNA bereitstellen. Dann müssen sie allerdings die Produktion von anderen Reparaturenzymen ankurbeln, um die Reparatur fortzusetzen, indem sie die Gene aktivieren die diese Enzyme produzieren. Es ist diese Erhöhung der genetischen Aktivität, die der "microarray" Test aufzeichnet, und folglich anzeigt, welche Enzyme wichtig sind für Halobacterium's bemerkenswerte DNA Reparaturmechanismen.

Von diesen Microarrays hat DiRuggiero's Team gelernt, das Halobacterium eine Art "Renaissance Insekt" ist wenn es um DNA Reparatur geht. Es schmeißt von allem etwas hinein. Sein Genom, bestehend aus nur 2.400 Genen, enthält mehrere eindeutige Sets von DNA Reparaturmechanismen. Einige dieser Sets von Werkzeugen sind wie DNA Reparaturtools, die in Pflanzen und Tieren vorkommen, andere sind mehr wie die von Bakterien, und wieder andere sind charakteristisch für eine weniger bekannte Gruppe von Lebewesen, genannt "Archaea" (die Gruppe zu der auch das Halobacterium gehört). Halobacterium besitzt sie alle. Noch darüber hinaus besitzt das Halobacterium ein paar DNA Reparaturmechanismen, die noch niemals zuvor gesehen wurden!

Zu verstehen wie all diese Reparaturmechanismen arbeiten, könnte Wissenschaftlern eine Menge über die DNA Reparatur im menschlichen Körper beibringen, und vielleicht Wege aufzeigen, wie man die natürliche Fähigkeit des Menschen, zur Reparatur von Schäden an ihrer DNA, verbessern kann -- eine mögliche Gabe für Astronauten.

"Viele der Reparaturproteine in "Archaea" sind denen in "Eukarya" sehr ähnlich -- die Gruppe von Lebewesen denen wir angehören -- und daher kann "Archaea" als einfaches System für ein Modell benutzt werden, um den komplexeren Prozess in Eukaryonten zu studieren," erklärt DiRuggiero.

Einige dieser neuen molekularen Tools könnten sich als nützlich für die Industrie und Biotechnologie herausstellen, vermutet DiRuggiero. Immerhin, nach dem Studium eines Cousins von Halobacterium -- einer Hitze-liebenden Mikrobe -- haben Wissenschaftler den DNA Kopierprozess gefunden, der es ermöglichte das komplette Genom zu sequenzieren. Das Human Genome Project hätte ohne diese Entdeckung niemals existiert.

Gar nicht mal so schlecht für eine bescheidene Mikrobe.

Autor: Frank Erhardt