Deinococcus radiodurans

3. Feb.

Conan, das Bakterium

Ein Mann, bewaffnet mit einem Schwert zieht durch staubige Landschaften, deren Lebensfeindlichkeit kaum ein Grashalm überstehen kann. Einsam, ohne Rüstung, nur getrieben von seinem Wunsch nach Rache. Immer wieder überwindet er Rückschläge, bekämpft Gegner, die viel stärker scheinen als er, und überlebt dort, wo andere längst aufgegeben hätten. Das ist die Welt von Conan, dem Barbaren, einer Figur, die wie keine andere für Widerstandsfähigkeit und Willenskraft steht.

Conan ist natürlich eine Figur aus einer Fantasy-Geschichte, doch gerade in der Mikrobenwelt gibt es ja so manches, was man zunächst eher im Bereich der Fantastik oder Science Fiction einsortieren würde. So auch das Bakterium, um das es heute gehen soll und das Conan zumindest in manchen seiner Fähigkeiten in nichts nachsteht.

Aber lasst uns am Anfang anfangen. Im Jahre 1956 suchte Arthur Anderson in Illinois in den USA nach neuen Möglichkeiten, Fleischkonserven zu sterilisieren, also sie vollkommen keimfrei und damit länger haltbar zu machen. Eine der vielversprechendsten Ideen war die Behandlung der Konserven mit hohen Dosen von Gamma-Strahlung. Diese ist eine der durchdringendsten Formen von Strahlung und sollte eigentlich in der Lage sein auch die widerstandsfähigsten Bakterien abzutöten. Die Betonung liegt auf „sollte“. Trotz der starken Strahlenbehandlung begannen nämlich einige der Fleischkonserven zu verderben. Bei der Suche nach der Ursache fand man dann ein Bakterium, das der hohen Strahlendosis getrotzt zu haben schien: Deinococcus radiodurans.

Seinen Namen hat es ganz zurecht bekommen, dieser setzt sich nämlich aus dem Griechischen „deinos“ für „furchterregend“ und „coccus“ für „Beere“ zusammen, ergänzt durch das lateinische „radiodurans“ für „strahlungsresistent“. Wörtlich übersetzt bedeutet das: „die furchterregende Beere, die Strahlung aushält“. Das klingt doch nach etwas, was wir uns mal genauer anschauen sollten.

Deinococcus radiodurans ist ein ubiquitär vorkommendes Bakterium, das heißt, es kann eigentlich fast überall wachsen, in Hausstaub, im Darm von Menschen und Tieren, in der Arktis und sogar im Kühlwasser von Atomreaktoren. An all diesen Orten wächst das Bakterium in sogenannten Tetraden, also Zusammenschlüssen von vier Zellen. Diese erinnern in ihrem Erscheinungsbild an ein vierblättriges Kleeblatt. Um eure Vorstellungskraft hier nicht zu sehr herauszufordern, habe ich aber auch weiter unten ein Bild verlinkt. Deinococcus geothermalis, ein enger Verwandter von Deinococcus radiodurans, hat es auch schon auf meinen Spreadshop geschafft.

Jetzt wollen wir uns aber die besonderen Fähigkeiten dieses Bakteriums etwas genauer anschauen. Diese haben ihm schließlich nicht nur den Beinamen „Conan, das Bakterium“, sondern auch einen Eintrag im Guinness Buch der Rekorde 1998 eingebracht – und zwar als die strahlungsresistenteste Lebensform der Welt. Was heißt das denn aber jetzt in den Zahlen?

Deinococcus radiodurans hält problemlos Strahlendosen von 5,000 Gray aus, bei 12,000 Gray überleben bis zu 10 % der Organismen und bei 60 Gray pro Stunde können die Bakterien ohne größere Beeinträchtigung wachsen und gedeihen. Toll – das sind zwar jetzt Zahlen, aber so richtig etwas damit anfangen können wohl die wenigsten. Zum Vergleich: das Standardbakterium Escherichia coli, dem ich wohl auch noch eine Folge schuldig bin, wird bereits bei 200 – 400 Gray abgetötet, beim Menschen reichen läppische 5 Gray aus, um zum Tod durch Strahlenkrankheit zu führen. Deinococcus radiodurans ist also in der Lage mehr als die 1,000-fache Menge an Strahlung zu überstehen, wie wir Menschen.

Aber wie schafft Deinococcus radiodurans das? Wie kann dieses unscheinbare Bakterien Strahlungsdosen überstehen, die für nahezu alle anderen Lebewesen tödlich sind? Dazu müssen wir uns erstmal anschauen, warum solch hohe Strahlendosen so schädlich sind.

Strahlung schädigt die DNA in Zellen. Die ist eigentlich wie eine lange Schriftrolle auf der sämtlichen Erbinformation niedergeschrieben ist. Sie funktioniert im Prinzip wie eine Blaupause für eine Zelle und alles, was darin enthalten ist. Durch Strahlung kann die DNA nun sogenannte Doppelstrangbrüche bekommen. Das wäre, wie wenn man aus der Schriftrolle ganze Stücke herausschneidet. Ohne die vollständige Information von der Rolle kann man so schnell erstmal keine neue Zelle konstruieren. Zwar haben die meisten Organismen Mechanismen, um die Stücke der Schriftrolle wieder zusammenzusetzen, gerade bei hohen Strahlendosen ist die Beschädigung aber oft so groß, dass die Reparatur nicht möglich ist. Damit kann die Zelle nicht mehr lange überleben.

Deinococcus radiodurans kann diese Schädigung der DNA auch nicht unbedingt verhindern. Allerdings weist das Bakterium einige Besonderheiten auf, die dazu führen, dass Schädigungen nicht ganz so fatale Folgen haben. So ist die DNA-Reparaturmaschinerie sehr viel schneller als in den meisten anderen Organismen. Während das Darmbakterium Escherichia coli in der Lage ist, etwa 3 Doppelstrangbrüche auf einmal zu reparieren, schafft Deinococcus radiodurans 500 gleichzeitig. Zudem bewahren die Bakterien immer mehrere Kopien ihrer DNA auf. Sie haben ihre Schriftrolle also abgeschrieben und lagern sie als gut verpackte Sicherheitskopie. Sollte also mal etwas nicht wieder repariert werden können, greifen sie auf die Kopie zurück, um alles wieder in Ordnung zu bringen.

Zusätzlich ist die DNA von Deinococcus radiodurans in einer Ringstruktur organisiert. Hier vermuten Forschende, dass dadurch eventuell abgetrennte Stücke nicht so schnell mit der Zellflüssigkeit fortgeschwemmt werden können wie bei einer langen ausgestreckten Struktur. Damit wird die Wahrscheinlichkeit, dass die Stücke auch bei vielen Brüchen wieder in der richtigen Reihenfolge aneinandergesetzt werden können, drastisch erhöht. Sollte die Erbinformation in einer Zelle doch mal nicht ausreichen, um den Bauplan wieder herzustellen hat Deinococcus radiodurans noch einen zusätzlichen Trick auf Lager. Das Bakterium kann nämlich auch DNA aus der Umgebung aufnehmen, die beispielsweise von anderen Zellen freigesetzt wurde und diese zur Reparatur nutzen.

DNA-Schädigung ist allerdings nicht das Einzige, was zum Tod von Organismen in Folge von Strahlung führen kann. Auch Proteine wie Enzyme und Transportsysteme können in Mitleidenschaft gezogen werden. Und auch dagegen weiß Deinococcus radiodurans sich zu wehren. Forschende fanden heraus, dass das Bakterium große Mengen des Übergangsmetalls Mangan akkumulieren kann und dass eben dieses dabei helfen kann, die Inhalte der Zelle vor Schäden zu schützen. Dabei wirkt das Mangan wie ein Schutzschild gegen Oxidation. Deinococcus radiodurans hat also ein ganzes Arsenal an Mechanismen, mit dem es seine unvergleichliche Resistenz gegen Strahlung aufbaut. Jetzt könnten sich die besonders Neugierigen unter euch natürlich fragen: Warum sollte dieses Bakterium so etwas überhaupt können? In der langen Geschichte unserer Erde sind so hohe Strahlendosen nämlich eher selten – vor allem, wenn man nur die natürlichen Ursachen betrachtet.

Ich habe vorhin ja gesagt, dass Deinococcus radiodurans Strahlung von bis zu 5.000 Gray überstehen kann. Um das einzuordnen: Alle Alltagsanwendungen, in denen wir mit Strahlung zu tun haben, also beispielsweise Röntgenaufnahmen nach Knochenbrüchen oder Interkontinentalflüge liegen eher im Bereich von einem Millionstel bis einem Tausendstel Gray, oder auch µGray bis mGray. Selbst bei schweren Reaktorunglücken bewegen sich die Strahlendosen für Menschen in den umgebenden Regionen in der Regel weit unter einem Gray. Man kann sich also zurecht fragen: Warum gibt es bei diesen Zahlen ein Bakterium, das das mehr als 5,000-fache einer tödlichen Dosis für Menschen aushalten kann? Sicherlich hat es in der Erdgeschichte auch natürliche Ereignisse gegeben, die zu erhöhten Strahlendosen geführt haben – etwa große Asteroideneinschläge oder sogenannte natürliche Reaktoren, in denen Kernspaltungsprozesse abliefen. Nach heutigem Verständnis lagen die typischen Dosen an der Erdoberfläche dabei aber ebenfalls deutlich unter einem Gray. Der Grund für die hohe Strahlenresistenz von Deinococcus radiodurans ist etwas unterwältigend, aber trotzdem durchaus spannend. Alle Prozesse, die der hohen Resistenz gegen Strahlung dienen, helfen nämlich auch dabei, große Trockenheit auszuhalten. Und diese war in der Erdgeschichte wahrscheinlich deutlich häufiger ein Thema als starke Strahlung. Einige Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sehen diese Eigenschaft aber auch als Bestätigung der Panspermie-Hypothese, also der Vermutung, dass sich einfache Lebensformen über lange Strecken durchs Weltall bewegen können. Vorfahren von Deinococcus radiodurans, die beispielsweise die Gene für die hohe Strahlungsresistenz mit sich brachten, könnten also auf dem Rücken eines Asteroiden auf die Erde gekommen sein. Vielleicht eben von einem Ort, an dem Strahlungsdosen von 5,000 Gray keine Seltenheit sind. Dabei handelt es sich aber nach dem aktuellen Stand der Forschung mehr um eine Spekulation als eine gut unterlegte Hypothese.

Passend zu dieser Idee kann ich euch aber zumindest noch mitgeben, dass Deinococcus radiodurans tatsächlich schonmal im Weltall war. 2015 wurden Proben des Bakteriums im Rahmen der japanischen Tanpopo-Mission an der Außenseite der ISS befestigt. Dort sollte getestet werden, wie sie die harschen Bedingungen durch hohe kosmische Strahlung, Austrocknung, Temperaturschwankungen und Mikrogravitation überstehen würden. Die nachgehende Analyse legte nahe, dass das Bakterium auch interplanetare Reisen, wie beispielsweise von der Erde bis zum Mars überleben könnte. Deinococcus geothermalis, der enge Verwandte, von dem ich vorhin schonmal gesprochen habe, überlebte, trotz geringer Widerstandsfähigkeit sogar 3 Jahre an der Außenseite der ISS.

Neben seiner beeindruckend Fähigkeit Strahlung auszuhalten, arbeiten Wissenschaftler aktuell noch an weiteren Nutzen für Deinococcus radiodurans. So werden genetisch veränderte Varianten des Bakteriums in einem Prozess eingesetzt, den man Bioremediation nennt. Dabei handelt es sich um die Entgiftung und Wiederaufbereitung biologischer Systeme durch den Einsatz von Organismen. Gerade durch seine hohe Resistenz gegenüber Strahlung kann Deinococcus radiodurans dazu eingesetzt werden, Uran und andere Susbtanzen aus radioaktivem Abwasser zurückzugewinnen.

In einer weiteren Studie übersetzten Forschende das Disney-Lied „It's a Small World“ in eine genetische Sequenz und fügten diese in das Genom von Deinococcus radiodurans ein, um seine Nutzbarkeit in der Informationstechnologie, insbesondere in Speichermedien untersuchen zu können. Nach über 100 Bakteriengenerationen konnte der komplette Songtext fehlerfrei ausgelesen werden, mit dem Vorteil, dass durch die vielfache Teilung der Bakterien Millionen zusätzliche Kopien der gespeicherten Informationen entstanden waren. Ein Bild davon, wie sich das dann in einer Festplatte umsetzen lässt, überlasse ich der Innovation der Zukunft und bis dahin eurer Vorstellungskraft.

Wir konten hier also wieder einen wirklich beeindruckenden Mikroorganismus kennen lernen. Deinococcus radiodurans hält Strahlungsdosen aus, die so stark sind, dass sie auf unserer Erde gar nicht vorkommen. Damit hat es den Beinamen „Conan, das Bakterium“ wirklich verdient. Ähnlich dem Fantasie-Helden Conan überlebt das Bakterium die unwirtlichsten Bedingungen und unvorstellbar starke Gegner. Der Unterschied: Conan und seine Welt entspringen einer Fantasiegeschichte, Deinococcus radiodurans unserer aller Realität. Vielleicht sehen wir es als Erinnerung daran, welche Stärke in uns allen versteckt liegt und dass wir vielleicht widerstandsfähiger sind, als wir manchmal denken.

Links & weitere Infos

Bilder von Deinococcus radiodurans

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/73/Deinococcus_radiodurans.jpg

https://science.umd.edu/cbmg/faculty/asmith/200HONORS/WEBPAGE/spring2003/YunAmy/proj3/Deinococcus_radiodurans.html

Entdeckung von Deinococcus radiodurans

Anderson et al. (1956) Radiat. Res. 5(2): 187-198.

Strahlungsresistenz

Cox (2005). Nat. Rev. Microbiol. 3 (11): 882–892.

Makarova et al. (2001) Microbiol. Mol. Biol. Rev. 65(1): 44-79.

Battista (1997) Annu. Rev. Microbiol. 51: 203-224.

DNA-Reparaturmechanismen

Zahradka et al. (2006) Nature 443(7111):569-573.