Halobacterium salinarum

Wie Flamingos rosa wurden

Jeder von euch hat sicher sofort ein Bild vor Augen, wenn ich von Flamingos spreche. Ihr markant rosa bis rot gefärbtes Gefieder macht die Vögel zu einem beliebten Fotomotiv und dem idealen aufblasbaren Poolbegleiter. Doch warum sind Flamingos eigentlich rosa? Manche von euch wissen vielleicht, dass das mit der Ernährung der Flamingos zusammenhängt. Diese besteht zu großen Teilen aus Salzkrebsen wie Artemia salina oder Algen wie Dunaliella, die rote Pigmente enthalten und von den Flamingos aus den salzigen Gewässern herausfiltriert werden, in denen sie leben. Dort lebt aber noch so einiges mehr, das rot gefärbt ist und wohl den winzigen Salzkrebsen als Nahrung dienen könnte: eine Mikrobe namens Halobacterium salinarum. Diese ist nicht nur schön rot gefärbt, sondern hat auch zu Entwicklungen beigetragen, die mit der Verleihung des diesjährigen Nobelpreises für Physiologie und Medizin zusammenhängen – aber dazu später mehr.

Halobacterium salinarum ist, anders als der Name impliziert, gar kein Bakterium, sondern gehört zu den Archaeen. Wie wir schon in den Folgen zu Haloquadratum walsbyi oder auch Methanocaldococcus jannaschii erfahren konnten, bilden die Archaeen, neben den Bakterien und den Eukarya, eine der drei Domänen des Lebens. In vielen Belangen sind Archaeen den Bakterien sehr ähnlich, genetisch sind sie allerdings enger mit den Eukarya verwandt, zu denen auch Pflanzen und Tieren gehören. Eine Besonderheit der Archaeen ist, dass viele von ihnen auf besonders extreme Lebensräume angepasst sind. Diese reichen von heißen Quellen in der Tiefsee bis zum Permafrost umfassen aber auch – wie im Fall von Halobacterium salinarum – besonders salzhaltige Gewässer. Dieses Archaeon, über das wir heute sprechen wollen, bevorzugt dabei Salzkonzentrationen zwischen 20 % und 30 %. Das ist so viel, dass sich mehr Salz kaum in Wasser lösen lässt – zumindest nicht bei den Temperaturen, die in natürlichen Gewässern so vorherrschen. Um diesem Fakt noch ein paar mehr Zahlen zu verleihen: Typisches Nudelwasser kommt mit etwa 5 bis 10 g Salz pro Liter Wasser aus, für Halobacterium salinarum ist das Pinatz – für Wohlfühlkonzentrationen sprechen wir hier eher von 200 bis 300 g Salz pro Liter Wasser, also grob der dreißigfachen Menge.

Um diese hohen Salzkonzentrationen zu überstehen, hat sich Halobacterium salinarum einige Anpassungsstrategien zugelegt. Um zu verhindern, dass zu viel Wasser aus der Zelle strömt, um die hohe Natriumkonzentration in der Außenwelt auszugleichen, nutzt das Archaeon eine sogenannte Salt-In-Strategie. Dabei wird viel Kalium in die Zelle gelassen, wo es den Ausstrom von Wasser verhindert. Damit die hohe Kaliumkonzentration in der Zelle keinen Schaden anrichten kann, sind die Proteine von Halobacterium salinarum speziell aufgebaut. Sie enthalten beispielsweise viele saure Aminosäuren, die die Ausfällung der Proteine durch Salze verhindern. Um diese Anpassungen im Detail zu erklären, bräuchte ich wahrscheinlich noch einen ganzen weiteren Beitrag – vielleicht behalte ich es ja mal für einen Sonderbeitrag im Hinterkopf. Für den Moment müsst ihr mir einfach glauben, was ich hier erzähle.

Tatsächlich geht die Liebe zum Salz bei Halobacterium salinarum sogar noch weiter. Die Mikroben können nämlich nicht nur in sehr salzhaltigen Gewässern, sondern sogar in ganzen Salzkristallen überleben. Eingeschlossen in kleinen Flüssigkeitsreservoirs können die Archaeen Jahrzehnte und sogar Jahrtausende überstehen. Ein solcher Halitkristall wurde beispielsweise im Death Valley in Kalifornien gefunden. Aus dem Salzgebilde konnte ein Stamm von Halobacterium salinarum isoliert werden – und das bei einem geschätzten Alter von 97,000 Jahren. Bei so viel Salztoleranz wird euch die Geschichte der Entdeckung dieses Archaeons wohl kaum überraschen können.

Erstmals isoliert und charakterisiert wurde Halobacterium salinarum nämlich um das Jahr 1917 von einem Stück Klippfisch. Dabei handelt es sich um Seefisch, häufig Kabeljau, der stark gesalzen und anschließend luftgetrocknet wird. Bereits im Verlaufe des 19. Jahrhunderts beobachtete man häufig eine rote Verfärbung der Fische, die mit dem Verderb gleichgesetzt wurde. Der Botaniker Heinrich Klebahn, der sich vorrangig mit Pilzen beschäftigte, wollte der Sache auf den Grund gehen. Mit einer Nadel stach er in mit dem roten Belag überzogenen Klippfisch und strich die erhaltene Probe auf Nährboden aus. Nach einigen Tagen erschienen rot gefärbte Kolonien – Halobacterium salinarum. Diesen Namen erhielt das Archaeon tatsächlich erst einige Jahre später. Klebahn wählte Bacillus halobius ruber, als rote im Salz lebende Bazille während Francis Harrison und Margaret Kennedy bei ihrer Isolation im Jahr 1922 auf die Bezeichnung Pseudomonas salinaria zurückgriffen. Erst 1957 wurde endgültig Halobacterium salinarum für die Spezies festgelegt.

Diese Folge begann jetzt aber mit der Frage, woher die rosane Färbung der Flamingos stammt. Wir wissen jetzt, dass rote Pigmente über die Nahrungskette angereichert und dann ins Federkleid eingelagert werden. Doch nicht nur Flamingos haben eine besondere Farbe. Vielleicht habt ihr schonmal Bilder von Salinen oder von Salzseen gesehen, die oft durch ihre charakteristische Färbung in Rot, Rosa oder Rosttönen auffallen. Neben vielen Algen beispielsweise solchen der Gattung Dunaliella, trägt auch Halobacterium salinarum zu dieser Färbung bei. Wenn wir uns aber fragen, wie Flamingos oder Salzseen zu ihrer Farbe kommen, müssen wir konsequenterweise ja auch fragen, wie die Archaeen eigentlich zu ihrer Farbe kommen. Diese ist auf ein ganz bestimmtes Pigment zurückzuführen, das Bacterioruberin. Bei diesem Pigment handelt es sich um ein Karotinoid, das eine intensive rote Farbe hat. Für Halobacterium salinarum selbst dient das Pigment vor allem als Schutzmechanismus, beispielsweise gegen starke UV-Strahlung. Es ist also wie eine Art mikrobielle Sonnencreme. Das Archaeon erreicht einen so guten Schutz gegen Strahlung, dass es – eingeschlossen in einem Salzkristall - sogar einen Ausflug zum ISS-Außenmodul Columbus überstanden hat.

Halobacterium salinarum hat aber noch ein weiteres Ass im Ärmel, das sicher auch ein ausschlaggebender Faktor für die Ernennung zur Mikrobe des Jahres 2017 war: das Bakteriorhodopsin. Bakteriorhodopsin ist ein integrales Membranprotein, das heißt es sitzt in der Außenhülle des Archaeons und erfüllt dort eine ganz besondere Aufgabe. Bei Sauerstoffmangel wird Bakteriorhodopsin nämlich zur Energiegewinnungsanlage in Halobacterium salinarum. Das Protein kann nämlich Licht aufnehmen und dafür Protonen, also positiv geladene Teilchen über die Membran, vom Inneren des Archaeons nach Außen transportieren. Das ist ein bisschen wie bei der Photosynthese von Pflanzen und Cyanobakterien. Die Protonen werden dann genutzt, um die ATP-Synthase anzutreiben. Dabei handelt es sich ebenfalls um ein integrales Membranprotein, das durch den Fluss von Protonen über die Zellmembran nach innen ähnlich einer Turbine angetrieben wird. Die Energie, die dadurch entsteht, wird genutzt um ATP, die Energiewährung der Zelle, zu generieren. Das war jetzt vielleicht alles ein bisschen technisch, wichtig ist an dieser Stelle eigentlich folgendes: Bakteriorhodopsin hilft dem Archaeon Energie zum Überleben zu gewinnen – außerdem hat es eine schöne violette Farbe, die auch zur markanten Färbung der Lebensräume des Archaeons beiträgt.

Warum ist das Bakteriorhodopsin jetzt aber so relevant? Tatsächlich hat der Prozess der Energiegewinnung von Halobacterium salinarum manches mit dem Prozess gemeinsam, der im menschlichen Auge abläuft und dafür sorgt, dass wir sehen können. Rhodopsin ist eines der Sehpigmente, die in der Netzhaut sitzen. Dort ist es vor allem für die Wahrnehmung von Hell und Dunkel zuständig. Trifft Licht auf das Rhodopsin passiert etwas Ähnliches wie beim Bakteriorhodopsin. Das Protein nimmt die Energie aus dem Licht auf und nutzt sie, um in den Zellen der Netzhaut eine ganze Signalkaskade auszulösen, die letztendlich dazu führt, dass ein Nervensignal ans Gehirn weitergeleitet wird, wo dann aus verschiedensten kompliziert verschalteten Signalen ein Bild entsteht – eben genau das, was wir sehen. Funktioniert das Rhodopsin im Auge aus irgendeinem Grund nicht, kann das zu Nachtblindheit oder Retinitis pigmentosa führen, einer Erkrankung, bei der die Photorezeptoren im Auge nach und nach absterben, bis es zur Erblindung kommt.

Das Bakteriorhodopsin spielt aber nicht nur im Sehvorgang, sondern auch in der Forschung eine ganz besondere Rolle. Bereits in den 1970er Jahren entdeckten und charakterisierten Walther Stoeckenius und Dieter Oesterhelt das Protein in Halobacterium salinarum. Daraus entwickelte sich mit der Zeit eine ganze neue Forschungsrichtung, das Feld der Optogenetik. Als erstes mikrobielles Rhodopsin zeigte das Bakteriorhodopsin, wie Mikroben Licht zum Pumpen von Protonen nutzen. Später stießen Forschende auch bei einzelligen Algen auf Rhodopsine. Das Channelrhodopsin, einer der lichtsensitiven Kanäle, die aus einer solchen Alge stammen, kann gezielt in Zellen eingebracht werden und durch blaues Licht die Tore für Ionen öffnen. Die Steuerbarkeit durch Lichtimpulse erlaubt dann – wie mit einem molekularen Lichtschalter - in den Zellen bestimmte Prozesse wie beispielsweise Nervensignale auszulösen. Diese Techniken werden inzwischen nicht nur in der Forschung angewandt, sondern auch schon zur Behandlung von Netzhauterkrankungen erprobt. Auch um in Zukunft Epilepsien oder Parkinsonerkrankungen in den Griff zu bekommen, wird aktiv an Rhodopsinen geforscht.

Tatsächlich ist dieser Forschungszweig heute so relevant, dass gerade gestern die Verleihung des Nobelpreises für Physiologie und Medizin 2026 an die Pioniere der Optogenetik bekannt gegeben wurde. Am 10. Dezember wird dem US Forscher Karl Deisseroth und seinen deutschen Kollegen Georg Nagel und Peter Hegemann diese renommierte Auszeichnung für ihre Entdeckungen im Feld der Optogenetik verliehen. Man könnte mir jetzt hellseherische Fähigkeiten andichten, tatsächlich habe ich beim Schreiben dieser Folge aber nur durch reinen Zufall einen solchen Treffer gelandet.

In dieser Folge konnten wir mit Halobacterium salinarum also eine Mikrobe kennenlernen, die nicht nur zur schönen rosa Färbung von Flamingos beiträgt, sondern auch bedeutende Vorarbeit zur Entdeckung eines wichtigen Tools der Neurobiologie geleistet und zur Entwicklung eines ganzen Forschungszweigs geführt hat. Ihre Relevanz wird dabei neben der Ernennung zur Mikrobe des Jahres 2017, vor allem durch den diesjährigen Nobelpreis für Physiologie und Medizin unterstrichen. Vielleicht vermittelt euch das einen Eindruck davon, wie lange manche Entwicklungen stattfinden müssen, bevor ihre Bedeutung in der Forschungswelt deutlich wird und wie scheinbar kleine Entdeckungen manchmal viel mehr Auswirkung haben, als man am Anfang erahnen kann.

Links & weitere Infos

Pressemitteilung der VAAM “Mikrobe des Jahres 2017“

Pressemitteilung Nobelpreis 2026

Allgemeines zu Halobacterium salinarum

Grote, M. und O’Malley, M.A. (2011), FEMS Microbiology Reviews, 35(6), S. 1082–1099.

Pfeifer, F. (2017), Biologie in unserer Zeit, 47(6), S. 378–384.

Stan-Lotter, H. und Fendrihan, S. (2015), Life, 5(3), S. 1487–1496.

Entdeckung von Halobacterium salinarum

Klebahn, H. (1919), Mitt Inst Allg Bot Hamb, 4, S. 11–69.

Harrison, F.C. und Kennedy, M.E. (1929). F. A. Acland, printer.

Mormile, M.R. u. a. (2003), Environmental Microbiology, 5(11), S. 1094–1102.

Entdeckung und Charakterisierung des Bakteriorhodopsins

Oesterhelt, D. und Stoeckenius, W. (1971), Nature New Biology, 233(39), S. 149–152.