Anaerobe Bakterien als Schatztruhe

Sie mögen Alkohol und Milchsäure, vor allem aber aromatische Verbindungen wie Toluol oder Ethylbenzol: Eine außergewöhnliche Gruppe von Bakterien hat sich darauf spezialisiert, besonders stabile organische Verbindungen abzubauen, ohne dabei auf Sauerstoff als Reaktionshelfer zurückgreifen zu müssen.

In der aktuellen Ausgabe des International Journal of Systematic and Evolutionary Micobiology fassen Mikrobiologen um Prof. Dr. Ralf Rabus von der Universität Oldenburg die anaeroben Abbau-Spezialisten nun zu einer neuen Gattung mit dem Namen Aromatoleum zusammen.

„Diese Gruppe von Bakterien ist wie eine Schatztruhe für neue biochemische Reaktionen, die bei der Sanierung belasteter Böden helfen könnten. Aber sie sind auch für Grundlagenforschung und Biotechnologie interessant“, sagt Rabus, der am Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) die Arbeitsgruppe Allgemeine und molekulare Mikrobiologie leitet.

Die neue Gattung Aromatoleum sei ein Musterbeispiel dafür, wie eng die Forschungsdisziplinen Biodiversität und Biochemie ineinandergreifen.

Die Forscher ordneten der neuen Gattung 13 Bakterienarten zu, von denen einige bislang einer anderen Gattung mit dem Namen Azoarcus zugerechnet wurden. Die 13 Aromatoleum-Arten sind weltweit verbreitete, anaerobe Abbauspezialisten und leben vor allem in sauerstofffreien Bodenschichten und Gewässersedimenten.

Dies unterscheidet sie von den typischen Mitgliedern der Gattung Azoarcus, die in oder an den Wurzeln von Pflanzen leben und organische Verbindungen nicht anaerob (also ohne Luftsauerstoff) abbauen können. Die Vertreter der neuen Gruppe unterscheiden sich auch genetisch von Mitgliedern der Gattung Azoarcus, berichtet das Team. Daher sei es gerechtfertigt, die Abbauspezialisten als neue Gattung zu beschreiben.

Die meisten Aromatoleum-Arten sind stäbchenförmig und beweglich. Allen ist gemein, dass sie sehr widerstandfähige organische Verbindungen ohne Zuhilfenahme von Sauerstoff knacken können – insbesondere Substanzen mit einem Benzolring aus sechs Kohlenstoff-Atomen, so genannte Aromaten. Zu diesen Stoffen gehören Umweltgifte wie Toluol oder Ethylbenzol, die in Erdölprodukten, Lösungsmitteln, Lacken oder Zigarettenrauch vorkommen.

„Der aromatische Ring ist chemisch sehr stabil. Daher dachte man noch vor wenigen Jahrzehnten, dass Mikroben ohne Sauerstoff überhaupt nicht in der Lage wären, solche Moleküle abzubauen“, berichtet Rabus.

Inzwischen ist es Mikrobiologen jedoch gelungen, Vertreter der Aromatoleum-Gruppe zu isolieren und mit modernsten Methoden der Biochemie einige ihrer einzigartigen Stoffwechselwege aufzuklären. In einer im Januar in der Fachzeitschrift Chemistry veröffentlichten Studie berichtet ein Oldenburger Team um Rabus und seine Kollegen Prof. Dr. Jens Christoffers vom Institut für Chemie und Prof. Dr. Heinz Wilkes vom ICBM beispielsweise, dass ein Stamm des Bakteriums Aromatoleum aromaticum eine bestimmte aromatische Verbindung über eine bislang unbekannte Kombination von Stoffwechselwegen abbaut.

Die Forscher klärten in aufwändigen Untersuchungen alle Zwischenschritte auf, identifizierten die beteiligten Enzyme und Gene und konnten selbst die räumliche Struktur der Zwischenprodukte bestimmen. Die Fähigkeit der Bakterien, von bestimmten Verbindungen spezifisch nur eine von mehreren möglichen Strukturvarianten zu produzieren, könnte für die Biotechnologie interessant sein, schreiben die Forscher. Die Studie wurde im Rahmen des DFG-geförderten Graduiertenkollegs (GRK 2226) „Aktivierung chemischer Bindungen“ durchgeführt.

In einer anderen Studie klärten Rabus und sein Team beispielhaft auf, bis zu welcher Schwelle Aromatoleum aromaticum eine bestimmte aromatische Verbindung in der Umwelt wahrnehmen kann. Die Forscherinnen und Forscher fanden heraus, dass die Mikroben dieser Substanz selbst dann noch erkennen, wenn deren Konzentration der eines aufgelösten Würfels Zucker in einem olympischen Schwimmbecken entspricht.

Wie das Team in der Zeitschrift Applied and Environmental Microbiology berichtet, zeigte sich bei noch geringeren Konzentrationen keine Reaktion mehr. Die Forscher vermuten, dass die Mikroben die Substanz dann nicht mehr wahrnehmen können. Diese Ergebnisse lassen sich womöglich nutzen, um hochempfindliche Biosensoren herzustellen.

„Unsere Studie zeigt außerdem, unter welchen Bedingungen bestimmte Mikroben überhaupt lebensfähig sind – beziehungsweise, bis zu welcher Konzentration organische Verbindungen noch abbaubar sind“, so Rabus. Diese Studie wurde im Rahmen des DFG-geförderten Graduiertenkollegs (GRK 1885) „Molecular Basis of Sensory Biology“ durchgeführt.

Prof. Dr. Ralf Rabus, Tel.: 0441/798-3884, E-Mail: ralf.andreas.rabus@uol.de

Ralf Rabus et al.: „Aromatoleum gen. nov., a novel genus accommodating the phylogenetic lineage including Azoarcus evansii and related species, and proposal of Aromatoleum aromaticum sp. nov., Aromatoleum petrolei sp. nov., Aromatoleum bremense sp. nov., Aromatoleum toluolicum sp. nov. and Aromatoleum diolicum sp. nov.“, Int J Syst Evol Microbiol, DOI: 10.1099/ijsem.0.003244

Julian Küppers et al: „Stereochemical insights into the anaerobic degradation of 4-isopropylbenzoyl-CoA in the denitrifying bacterium strain pCyN1“, Chem. Eur. J. 2019, 25, DOI: 10.1002/chem.201805837

Jannes Vagts et al.: Applied and Environmental Microbiology 84:e01018-18, https://doi.org/10.1128/AEM.01018-18

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