Haloquadratum walsbyi
Quadratisch, praktisch, gut!
Was habt ihr für ein Bild vor Augen, wenn ihr an Mikroben denkt?
Wenn ihr, wie schätzungsweise 5 % der Erwachsenen in Deutschland mit Aphantasie, also in Abwesenheit eines bildlichen Vorstellungsvermögens lebt, schlichtweg gar nichts. Die meisten sehen wohl aber eher eine rundliche Form, vielleicht ein bisschen wie eine Bohne oder einfach eine Kugel. Für mich sehen sie meist aus, wie ein TicTac mit Beinen – und ja, ich sollte es besser wissen, aber irgendwo muss die Inspiration für meine Sticker ja stammen.
Worauf will ich aber eigentlich hinaus? Ganz einfach: Wir verbinden Leben oft mit weichen, runden Formen. Mit etwas, das organisch wirkt, ohne Ecken und Kanten.
Umso überraschender war es deshalb, als Forschende um Anthony E. Walsby im Jahre 1980 in einer Wasserprobe aus einem hypersalinen, also sehr salzhaltigen, Küstenbecken in Ägypten auf einen Mikroorganismus stießen, der so gar nicht in dieses Bild passte. Er war nicht rund, stäbchen- oder irgendwie bohnenförmig. Er war quadratisch. Ein kleines, lebendiges Quadrat mitten in einem Salzsee. Und weil man in der Wissenschaft manchmal auch nur begrenzt kreativ ist, bekam es kurzerhand den Namen „Walsby’s Square Bacterium“, also Walsbys quadratisches Bakterium. Dass diese Benennung nicht ganz den Tatsachen entsprach, sollte sich erst einige Zeit später herausstellen.
Um mehr über diesen ungewöhnlich geformten Organismus herauszufinden, musste er nun erstmal isoliert und kultiviert werden. Immer wieder versuchten Forschende in den Jahren nach 1980, die Quadratmikrobe aus den Wasserproben im Labor zum Wachsen zu bekommen. Sie probierten verschiedene Salzkonzentrationen und -zusammensetzungen, verschiedene Temperaturen, versuchten die Bedingungen in den Salzwasserbecken möglichst präzise nachzuahmen – ohne Erfolg. Egal, was sie versuchten, sie konnten dem neu entdeckten Organismus einfach keine Bedingungen bieten, unter denen er wuchs und gedieh. Wie ihr euch sicher vorstellen könnt, ist das nicht nur furchtbar frustrierend, sondern erschwert auch die wissenschaftliche Arbeit. Ohne tiefergehende Analyse, die Sequenzierung ihres Erbgutes, die Ermittlungen von Wachstumsbedingungen blieb die Natur der kleinen Quadrate ein Rätsel. Mehr über das ungewöhnlich geformte, vermeintliche Bakterium zu erfahren, wurde zu einem scheinbar unerreichbaren Ziel.
Es folgten 25 Jahre voller Experimente, Fehlschläge, neuer Ideen und Frustration. Denn wie so oft war der Weg der Wissenschaft eben nicht geradlinig, sondern führte auf einen langen Umweg voller falscher Abzweigungen und Sackgassen. Ein Vierteljahrhundert später, im Jahre 2004 kam dann der Durchbruch. In den Niederlanden schafften es Forschende um Henk Bolhuis das mysteriöse kleine Quadrat aus einer spanischen Salzpfanne zu isolieren und traten damit eine Reihe von Analysen los, die endlich mehr Informationen über die wundersamen Wege von Walsbys Quadratbakterium bringen sollten.
Während dieser Odysee auf der Suche nach den idealen Wachstumsbedingungen hatte der Rest der Wissenschaft natürlich nicht stillgestanden. Neue Erkenntnisse, hitzige Debatten und vielfältige Publikationen hatten dazu beigetragen, dass man die Lebewesen auf der Erde nun in drei Kategorien, die sogenannten „Domänen des Lebens“ einsortierte. Da gibt es zum einen die Eukaryoten, das sind Pflanzen, Pilze, aber auch Tiere inklusive uns Menschen. Daneben gibt es die Bakterien, die uns in diesem Podcast schon mit ihrer Vielfalt begeistert haben. Und dann gibt es die Archaeen — eine Domäne, die erst gegen Ende des 20. Jahrhunderts wirklich als eigene Linie anerkannt wurde. Genau dorthin gehört unser Quadrat. Aus dem vermeintlichen Bakterium wurde das Archaeon Haloquadratum walsbyi, Walsbys Salzquadrat. Die Archaeen besitzen wie auch die Bakterien keinen Zellkern, werden also den Prokaryoten zugeordnet. Doch trotz dieser Gemeinsamkeit unterscheiden sich die beiden Gruppen in wichtigen Punkten. Ihre Zellwand ist anders aufgebaut, ihre Zellmembran ist anders zusammengesetzt, und auch bei den Systemen für die Proteinherstellung zeigen sich deutliche Unterschiede. In mancher Hinsicht ähneln Archaeen dabei sogar eher den Eukaryoten als den Bakterien. Mit den Details möchte ich euch an dieser Stelle aber nicht langeweilen.
Deshalb zurück zu Haloquadratum walsbyi. Diese ungewöhnlich geformte Archee lebt dort, wo viele andere Mikroben schon längst aufgegeben haben: In hypersalinen Gewässern, also in Salzbecken und Salzseen mit extrem hoher Salzkonzentration. In diesen Becken sammelt sich Meerwasser, das also sowieso schon recht hohe Salzkonzentrationen aufweist. Jetzt verdampft das Wasser durch Sonneneinstrahlung weiter, das Salz bleibt aber zurück. Damit wird es immer stärker konzentriert, und am Ende entstehen Bedingungen, die für die meisten Organismen kaum noch ertragbar sind. Bei Salzkonzentrationen um 18 % und Temperaturen von ca. 40 °C werden die Salzbecken zu sehr lebensfeindlichen Umgebungen. Durch die hohe Salzkonzentration außerhalb wird Wasser in einem Prozess, der Osmose genannt wird, aus den Zellen gezogen und die Zellen vertrocknen. Haloquadratum walsbyi hingegen weiß das auf bemerkenswerte Weise zu verhindern. Nach aktuellem Stand der Forschung funktioniert das durch ein Protein, das vom Archeon produziert wird und den Namen Halomucin trägt. Halomucin ist das größte bekannte archeale Protein, wird in den Zellen hergestellt und dann nach außen, in das hochkonzentrierte Salzwasser, transportiert. Dort bleibt es als lose Hülle mit dem Archeon verbunden, die vermutlich vor Austrocknung und auch vor Phagen, also Archaeen-befallenden Viren schützt. Die genaue Funktionsweise von Halomucin wird aktuell noch erforscht, klar ist aber, ohne diese Anpassung wäre das Überleben im Salz kaum möglich.
Und dann ist da natürlich noch die Form selbst. Diese muss ja irgendeinen Sinn haben, um sich im Laufe der Evolution durchzusetzen. Schauen wir uns die Form deshalb erstmal nochmal genauer an. Eine einzelne Zelle von Haloquadratum walsbyi ist etwa 2 bis 5 µm groß. Damit passen etwa 200 bis 300 von ihnen in einen Millimeter, also einen kleinen Strich auf einem handelsüblichen Lineal. Allerdings wurden auch schon einzelne Zellen beobachtet, die fast 20x so groß waren. Da scheint es also eine recht große Varianz zu geben. Wenn ihr jetzt denkt, dass die Seitenlänge dieser kleinen Quadrate schon klein ist, werdet ihr von der Dicke noch beeindruckter sein. Diese liegt nämlich zwischen 100 und 200 nm, ist also nochmal zehn Mal kleiner als die Seitenlänge. Oftmals schwimmt Haloquadratum walsbyi aber nicht nur als einzelne Zelle herum, sondern kann sich zu Platten aus etwa einem Dutzend Zellen zusammenlagern. Diese sind dann aber nicht sehr stabil verbunden und brechen leicht auseinander.
Was bringt es einem Mikroorganismus jetzt aber so rechteckig und platt zu sein? Haloquadratum walsbyi lebt nicht nur an einem Ort, an dem sehr viel Salz ist, sondern auch dort, wo es sehr wenige Nährstoffe gibt. Das heißt, die wenige Nahrung, die an den Archaeen vorbeischwimmt, muss möglichst effizient aufgenommen werden. Dabei ist ein hohes Oberfläche-Volumen Verhältnis von großer Bedeutung. Je größer die Oberfläche, desto mehr Nähstoffe kann die Zelle aus ihrer Umgebung aufnehmen. Hinzu kommt, dass Haloquadratum walsbyi lichtabhängige Prozesse nutzt, um Energie zu gewinnen, fast wie ein winziges Solarpanel. Über ihre große, flache Seite können sie besonders viel Sonnenlicht einfangen. Um sicherzustellen, dass sie für diese Funktion perfekt im Wasser ausgerichtet sind, machen sich die Zellen noch eine andere Kuriosität zu Nutze. Bereits im Zuge der ersten Beschreibung von Haloquadratum walsbyi im Jahr 1980 fiel Forschenden auf, dass sich in den Zellen der Archaeen gasgefüllte Blasen, sogenannte Vesikel befinden. Diese schaffen Auftrieb und können das Archeon so in eine Position im Wasser bringen, bei der die Lichtaufnahme ideal ist. So ergibt am Ende selbst die seltsame Form Sinn. Eben als eine Anpassung an einen extrem salzigen und nährstoffarmen Lebensraum. Heute weiß man, dass Haloquadratum walsbyi in manchen Salzseen einen erstaunlich großen Anteil der Mikroorganismen ausmachen kann. In Lake Tyrrell in Australien sind es etwa 40 Prozent der Zellen und auch in den Spanischen Salzpfannen, aus denen es erstmals isoliert wurde, dominiert der Organismus. Die globale Verbreitung dieser Spezies mit fast unveränderter Genetik unterstreicht einmal mehr, wie perfekt sich die kleinen Quadrate im Verlauf der Evolution an ihre ökologische Nische angepasst haben.
Mit seinen spezialisierten Wachstumsbedingungen stellte Haloquadratum walsbyi für eine ganze Generation von Forschenden ein kaum zu lösendes Rätsel dar. Erst nach 25 Jahren gelang die Isolation und Kultivierung dieses besonderen Mikroorganismus. Seht es als Erinnerung daran, dass es manchmal nicht nur gute Ideen, sondern auch Geduld braucht, dass es sich lohnt, dranzubleiben, nicht aufzugeben und immer wieder neue Wege zu suchen. Und manchmal muss man eben auch einfach um die Ecke denken, um ein Quadrat zu finden.
Links & weitere Infos
Übersichtsseite zu Haloquadratum walsbyi inkl. Bildern
Erstbeschreibung von Hqr. walsbyi
Walsby, A.E. (1980), Nature, 283(5742), pp. 69–71.
Erste Erfolgreiche Kultivierung von Hqr. walsbyi
Genomanalyse, formale Beschreibung und Details zur Lebensweise
Bolhuis, H. et al. (2006), BMC Genomics, 7, p. 169
Burns, D.G. et al. (2007), Int J Syst Evol Microbiol, 57(2), pp. 387–392.
Funktionsweise von Halomucin