Thiomargarita magnifica
Wunderbare Schwefelperle
Wenn wir an Bakterien denken, stellen wir sie uns meist als mikroskopisch kleine Lebewesen vor, die in einer undefinierten Suppe vor sich hintreiben. Wer diesen Podcast schon länger verfolgt, kennt bereits ein paar spannende Dinge, die Bakterien so bewerkstelligen können. Die Spezies, die wir uns heute anschauen wollen ist ebenfalls etwas ganz Besonderes – und hat bei ihrer Entdeckung viele der Vorstellungen, die bislang über Bakterien kursierten, ziemlich auf den Kopf gestellt.
Um das Jahr 2012 stieß Olivier Gros, Meeresbiologe an der Université des Antilles auf ein ungewöhnliches Lebewesen. In Pointe-à-Pitre, der größten Stadt des französischen Überseedépartements Guadeloupe, fand er auf den verwesenden Blättern von Mangroven lange, fadenartige Organismen. Gros hielt den Organismus für einen Pilz und nahm eine Probe mit in sein Labor, um sie im Detail untersuchen zu können. Die nachfolgenden Experimente, deren Ergebnisse 2022 in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurden, enthüllten dann eine absolute Überraschung: bei dem Organismus handelte es sich nicht um einen Pilz, wie Gros zunächst vermutet hatte, sondern um ein Bakterium. Genauer gesagt um ein Bakterium der Gattung Thiomargarita. Thiomargarita lässt sich zu Schwefelperle übersetzen und tatsächlich handelt es sich dabei um eine sehr besondere Gattung. Thiomargarita namibiensis, das 1999 entdeckt wurde, galt lange als das größte bekannte Bakterium. Seine Zellen werden fast 1 mm groß und sind damit mit dem bloßen Auge erkennbar – etwa so groß wie der Punkt am Ende eines Satzes. Thiomargarita namibiensis lebt vor allem am Meeresboden vor der Küste Namibias – daher auch der Name – und kann dort anorganische Substanzen wie Sulfide und Nitrat zur Energiegewinnung nutzen.
Die neue, von Gros in Guadeloupe entdeckte Art wartete jedoch mit einer noch größeren Überraschung auf – im wahrsten Sinne des Wortes. Die fadenartigen Strukturen, die er beobachtet hatte, waren bis zu zwei Zentimeter lang und anders als bei Thiomargarita namibiensis bestanden sie nicht aus vielen Zellen, sondern aus einer einzigen. Eine einzelne Zelle mit bis zu zwei Zentimetern Länge – etwa so groß wie der Durchmesser einer 10-Cent-Münze. Damit war sie rund 5.000-mal größer als die meisten anderen Bakterien. Zum Vergleich: Das entspräche einem Menschen, der so groß wäre wie ein Gebirgsmassiv – also mehrere Kilometer groß, etwa in der Größenordnung des Mount Everest. Das überraschte selbst die Forscher, die das Bakterium entdeckt hatten – und stellte so einiges in Frage, was man bisher über bakterielle Zellen zu wissen glaubte. Um das zu verstehen müssen wir einen kleinen Exkurs machen und uns die Frage stellen: Was limitiert eigentlich das Wachstum bakterieller Zellen? Warum sind Bakterien normalerweise so klein?
Das liegt vor allem an ihrem recht simplen Aufbau. All ihre Nährstoffgewinnung, ihre Proteinproduktion sowie ihr Stoffwechsel findet in derselben Suppe in ihrem Inneren statt. Anders gesagt, wenn ein Nährstoff auf einer Seite der Zelle produziert, aber auf der anderen Seite benötigt ist, dann muss er auf zufälligen Wegen zu dieser Stelle gelangen. Diesen Prozess nennt man Diffusion und er kann durch physikalische Grenzen nur eine bestimmte Geschwindigkeit erreichen. So richtig gut funktioniert dieser Prozess also vor allem bei kleinen Distanzen. Und die Diffusionsgeschwindigkeit limitiert eben, zumindest laut aktuellen Hypothesen, die Größe von bakteriellen Zellen. Würden sie größer werden als die Diffusionsgeschwindigkeit erlaubt, könnten Bakterien verhungern, obwohl sich eigentlich genug Nährstoffe in der Zelle befinden – eben nur an der falschen Stelle.
Jetzt fragt ihr euch aber wahrscheinlich zurecht: Wie ist dann Thiomargarita magnifica so groß geworden? Schließlich scheint es eben möglich zu sein, auch als Bakterienzelle Größen von bis zu 2 cm zu erreichen. Hier spielen vermutlich vor allem zwei Faktoren eine wichtige Rolle. Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Thiomargarita magnifica aus dem Labor von Olivier Gros zeigten, dass etwa 70 % des Volumens der riesigen Zellen von einer Vakuole, quasi einem Speicherbeutel für Nährstoffe ausgefüllt wird. Dadurch wird das Cytoplasma, also der Ort, an dem der gesamte Stoffwechsel des Bakteriums stattfindet auf einen ganz kleinen Streifen am Rand des Bakteriums eingeschränkt. Stoffwechselprodukte müssen also nicht durch das gesamte Volumen des Bakteriums diffundieren, sondern nur durch einen ganz kleinen Anteil. Das macht es der Zelle möglich ein ganzes Stück größer zu werden als andere Bakterien. Die Bilder, in denen das sichtbar wird, verlinke ich euch wie immer weiter unten.
Ein zweiter Aspekt, der es Thiomargarita magnifica erlaubt so groß zu werden, ist vor allem aus einer evolutionsbiologischen Sicht besonders spannend. Allem Anschein nach, weist Thiomargarita magnifica nämlich erste Anzeichen einer Kompartimentalisierung auf. Was heißt das genau? Im Gegensatz zu bakteriellen Zellen sind eukaryotische also zum Beispiel menschliche Zellen intern unterteilt. Es gibt ein Abteil, in dem vor allem die DNA gelagert und abgeschrieben wird, ein Abteil, dass dafür zuständig ist, Dinge für den Transport außerhalb der Zelle zu verpacken, ein Abteil, in dem Energie hergestellt wird und viele mehr. Das ist ein weiterer Weg, die Diffussionsbeschränkung zu umgehen, da es aktive Prozesse gibt, die Dinge schnell von einem an den anderen Ort bringen, quasi wie Paketdienste. Diese Unterteilung existiert in bakteriellen Zellen eigentlich nicht, sondern ist erst in der späteren Entwicklung von Lebewesen aufgetreten. Außer vielleicht bei Thiomargarita magnifica. Hier scheint es so zu sein, dass die DNA, die sonst auch einfach in der Suppe im Inneren eines Bakteriums herumschwimmt, durch eine Membran abgegrenzt ist. Im selben Kompartiment scheint sich auch eine hohe Konzentration an Ribosomen zu befinden, also den Maschinerien, die dafür verantwortlich sind, aus Genen Enzyme und andere nützliche Dinge zu machen zu machen, die die Zelle zum Überleben braucht. In diesen Zellen gibt es also eine Art erstes spezialisiertes Abteil, das zur Überwindung der Diffusionsbarriere dient und vielleicht ein erster, bislang unbekannter Schritt in der Evolution hin zu komplizierteren Zellen ist. Diese abgetrennten Abteile wurden durch ihre Entdecker übrigens Pepins genannt, nach der französischen Bezeichnung für die Art von Samen, wie man sie in Kiwis findet.
Und wo wir schon bei der DNA von Thiomargarita magnifca sind – die schiere Größe des Bakteriums ist nicht das einzige, was beeindruckt. Das Erbmaterial von Thiomargarita magnifica enthält rund 11.000 Gene – das sind fast halb so viele, wie beim Menschen. Zum Vergleich, das durchschnittliche bakterielle Genom enthält etwa 4000 Gene. Außerdem besitzt Thiomargarita magnifica schätzungsweise mehrere hunderttausend Kopien seiner DNA - eine unglaublich hohe Zahl. Warum genau das so ist und welche anderen Besonderheiten dieses Bakterium noch bereit hält, wird aktiv erforscht. Übrigens lautet der vollständige wissenschaftliche Name momentan Candidatus Thiomargarita magnifica. „Candidatus“ bedeutet, dass die Art bislang noch nicht erfolgreich im Labor kultiviert werden konnte – alle bekannten Exemplare stammen direkt aus den Mangroven in Guadeloupe.
Es bleibt festzuhalten, dass diese Spezies Thiomargarita ihren Beinamen magnifica, von lateinisch groß, aber auch vom Französischen wunderbar durchaus verdient hat. Auf jeden Fall hat dieses Bakterium auch der Forschungswelt gezeigt, dass es sich lohnt immer genau hinzuschauen, Dinge zu hinterfragen und neuen Erkenntnissen gegenüber aufgeschlossen zu bleiben. Wer hätte schon gedacht, dass eine riesenhafte Schwefelperle aus einem Mangrovenwald so viel Neues über die Grenzen bakterieller Zellgröße und die evolutionären Ursprünge komplexen Lebens verraten könnte?
Links & weitere Infos
Entdeckung und Erstbeschreibung von Thiomargarita magnifica (inkl. Bildern)
· https://www.gbif.org/species/194785935
Informationen zu Thiomargarita namibiensis
· https://www.mpg.de/4670997/riesenbakterien-im-meer
Übersichtsbeiträge zu Thiomargarita magnifica
· https://bigthink.com/life/impossible-big-bacteria/
· Levin, P. A. (2022). A bacterium that is not a microbe. Science, 376(6594), 1385–1386.