Skip to main content
main-content

Über dieses Buch

Dieses Buch gibt einen aktuellen Überblick über die Lebensräume und Lebensweisen extremophiler Mikroorganismen. In neun kompakten Kapiteln beleuchtet der Autor die Anpassungsfähigkeit extremophiler Mikroorganismen. Pro Kapitel wird wird ein extremer Lebensraum und seine Bewohner beschrieben und spannende Fragen beantwortet wie: Welche Typen lebensfeindlicher Gebiete auf der Erde können besiedelt werden? Welche Arten von Organismen sind hierzu befähigt? Welche Anpassungen haben sich entwickelt, damit diese Organismen in Umgebungen überleben können, die als lebensfeindlich gelten? Welche Hinweise gibt es zur Entstehung und Entwicklung der ersten Lebensformen in extremen Habitaten und kann man die Erkenntnisse über irdische Extremophile zur Abschätzung der Wahrscheinlichkeit außerirdischen Lebens nutzen? Dem Leser wird so ein Einstieg in dieses moderne Gebiet der Biologie ermöglicht. Der Autor zeigt in verschiedenen Beispielen unterschiedlichste Anwendungsmöglichkeiten extremophiler Organismen in der Biotechnologie auf. Hierbei reicht das Spektrum vom Einsatz der DNA-Polymerasen aus (hyper-)thermophilen Mikroorganismen für die Polymerase-Kettenreaktion, eine der wichtigsten Techniken der Biotechnologie, bis zum Einsatz acidophiler Mikroorganismen zur Gewinnung von Kupfer und Gold. Für Studierende und Wissenschaftler, die sich für die Vielfalt und Anpassungsfähigkeit von Mikroorganismen und deren Potenzial für die Biotechnologie und Industrie interessieren, ist dieses einführende Lehrbuch eine Bereicherung.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Als extremophil bzw. extremotolerant werden Organismen bezeichnet, die aus Lebensräumen mit außergewöhnlichen Temperaturen, pH-Werten, Salzkonzentrationen oder Druckverhältnissen stammen. Hierbei werden Lebewesen, die außergewöhnliche Bedingungen ertragen als extremotolerant und solche, die diese sogar bevorzugen als extremophil bezeichnet. Die bekannten Grenzen des Lebens wurden in den letzten Jahren immer weiter ausgedehnt. So kennt man heutzutage wärmeliebende (hyperthermophile) Mikroorganismen, die noch bis zu einer Temperatur von 122 °C wachsen und für kälteliebende (psychrophile) Organismen wurden noch Stoffwechselaktivitäten bei −30 °C gezeigt. Säureliebende (acidophile) Mikroorganismen können noch bei pH 0 wachsen und alkaliphile bis zu pH-Werten von nahezu pH 13. In hochkonzentrierten Salzsolen und sogar viele Millionen Jahre alten Salzkristallen wurden lebensfähige Salz-liebende (halophile) Mikroorganismen gefunden und in Tiefseegräben „Druck-liebende“ (piezophile) Lebewesen. Extremophile Organismen werden einerseits im Hinblick auf die charakteristischen Anpassungsmechanismen gegenüber den verschiedenen Stressfaktoren untersucht. Andererseits sollen durch diese Studien Hinweise auf die Entstehung des Lebens auf der Erde und die Möglichkeiten extraterrestrischen Lebens gewonnen werden. Es besteht auch ein großes kommerzielles Interesse an verschiedenen extremophilen Mikroorganismen und ihren Stoffwechselleistungen.
Andreas Stolz

Kapitel 2. Hyperthermophile

Heiße Lebensräume mit Temperaturen, die dauerhaft über 60 °C liegen, sind meistens von vulkanischen Aktivitäten geprägt. Hierbei werden von Mikrobiologen einerseits Bereiche auf der Erdoberfläche untersucht, an denen das Wasser bei Temperaturen von höchsten 100 °C siedet und submarine Gebiete am Meeresgrund, in denen aufgrund des hydrostatischen Drucks Wasser auch noch bei deutlich höheren Temperaturen flüssig vorliegt. In den letzten Jahren wurden aus diesen beiden Typen von Lebensräumen zahlreiche hyperthermophile Mikroorganismen isoliert, die nur bei Temperaturen von 60 °C und höher zu wachsen vermögen. Hierbei handelt es sich größtenteils um Archaeen und nur wenige Bakterien (und keine Eukaryoten) können unter diesen Bedingungen wachsen. Hyperthermophile Mikroorganismen weisen eine Reihe charakteristischer Anpassungsmechanismen an ihre Lebensräume auf, so zeigen die Proteine im Allgemeinen eine Anhäufung hydrophober Aminosäuren im Proteininneren und polarer Ionenpaare ausbildender Aminosäuren auf der Proteinoberfläche. Desweiteren weisen auch die Zellmembranen und die rRNAs und tRNAs strukturelle Besonderheiten auf, die eine erhöhte Temperaturstabilität vermitteln. Verschiedene Enzyme aus wärmeliebenden Mikroorganismen werden technisch eingesetzt, z. B. für die Amplifikation von Nucleinsäuren oder die Gewinnung von Zucker aus Stärke.
Andreas Stolz

Kapitel 3. Psychrophile

Kalte Lebensräume sind auf der Erde weit verbreitet. So weisen etwa 90 % des Wasservolumens der Ozeane Temperaturen unter 5 °C auf. Außerdem sind weite Gebiete von Arktis und Antarktis mit Permafrostböden bedeckt. Weitere ausgedehnte Lebensräume für kälteliebende (psychrophile) oder zumindest zum Wachstum in der Kälte befähigte (psychrotrophe) Organismen finden sich in Form von Süßwasserseen unter dem Gletschereis der Antarktis. Hinweise auf mikrobielle Stoffwechselprozesse können auch bei Temperaturen niedriger als −30 °C gefunden werden. In kalten Lebensräumen wachsen sowohl eukaryotische (z. B. Diatomeen, Dinoflagellaten und Grünalgen) als auch prokaryotische Mikroorganismen (u. a. Proteobacteria, Gram-positive Bakterien und Mitglieder des Phylums Bacteroidetes). Die kalte Umgebung führt bei einzelligen Organismen zu einer generellen Verringerung der metabolischen Umsatzraten, bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt des Wassers können außerdem letale Schädigungen der Zellen durch die Bildung von Eiskristallen auftreten. Psychrophile Mikroorganismen passen sich an ihre Lebensräume durch eine erhöhte Flexibilität vieler Proteine und der Membranstrukturen an. Die Bildung und Struktur von Eiskristallen kann durch Eisnucleationsproteine bzw. Antigefrierproteine beeinflusst werden. In der Lebensmittel- und Waschmittelindustrie gibt es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für Enzyme, die unter kalten Bedingungen katalytisch aktiv sind.
Andreas Stolz

Kapitel 4. Piezophile

In der Tiefsee und auch im terrestrischen Untergrund herrschen deutlich höhere Drücke als an der Erdoberfläche. So steigt im Meer der hydrostatische Druck von 0,101 MPa an der Oberfläche bis auf ca. 110 MPa an der tiefsten Stelle der Ozeane an. Aus den tieferen Bereichen der Ozeane wurden vielfach Organismen isoliert, die sich an erhöhte hydrostatische Drücke angepasst haben. Diese Organismen werden heutzutage meist als piezophil (früher barophil) bzw. piezotolerant (früher barotolerant) bezeichnet. Aufgrund der im Labor benötigten aufwändigen Ausrüstung wurden bis heute erst wenige piezophile (also erhöhte Drücke zum Wachstum benötigende) Mikroorganismen isoliert. Hierbei handelt es sich vielfach um γ-Proteobacteria, die z. B. zu den Gattungen Colwellia, Shewanella oder Moritella gehören. Die spezifischen Anpassungsmechanismen dieser Organismen an ihren Lebensraum sind noch weitgehend unklar. Aus theoretischen Überlegungen, Genom-Analysen und experimentellen Untersuchungen (insbesondere auch mit Escherichia coli) kann aber geschlossen werden, dass piezophile Organismen insbesondere eine ausreichende Beweglichkeit ihrer Membranen und die Stabilität von hochorganisierten Proteine-enthaltenden Strukturen (z. B. Ribosomen und Flagellen) gewährleisten müssen. Offenbar können diese Anforderungen in verschiedenen Organismengruppen durch unterschiedliche Anpassungsmechanismen erreicht werden.
Andreas Stolz

Kapitel 5. Acidophile

Es gibt zahlreiche Beispiele für das Vorkommen saurer Biotope in unsere Umwelt, die entweder durch organische oder mineralische Säuren beeinflusst werden. Extrem saure Bedingungen mit pH-Werten unter 3 werden meistens durch Schwefelsäure hervorgerufen und finden sich insbesondere in vulkanischen oder durch Bergbauprozesse beeinflussten Gebieten. Säureliebende (acidophile) Organismen zeichnen sich durch ein bevorzugtes Wachstum bei pH-Werten unter pH 5 aus. In den vergangenen Jahren wurden eine Reihe von Bacteria, Archaea aber auch (einzelligen) Eukarya gefunden, die noch bei pH-Werten unter pH 3 zu wachsen vermögen. Derartig niedrige pH-Werte verursachen die Hydrolyse zahlreicher lebenswichtiger Zellbestandteile und beeinflussen die für Transportprozesse und ATP-Synthesen benötigten Protonengradienten. Acidophile Organismen erhalten durchgehend in ihrem Cytoplasma pH-Werte, die deutlich über dem Umgebungs-pH liegen. Dies wird insbesondere durch Protonen-transportierende und Protonen-verbrauchende Reaktionen erreicht. Acidotolerante und acidophile Organismen werden in unterschiedlichen Prozessen bei der Lebensmittel-Herstellung (z. B. Essig, Citronensäure), der Produktion von Fein-Chemikalien (z. B. Itaconsäure) und der Gewinnung von Metallen (Kupfer, Gold. u. a.) eingesetzt.
Andreas Stolz

Kapitel 6. Alkaliphile

Lebensräume, die dauerhaft alkalische Bedingungen mit pH-Werten über pH 9 aufweisen, werden primär von alkaliphilen und alkalitoleranten Mikroorganismen besiedelt. Die am besten untersuchten alkalischen Lebensräume stellen Sodaseen dar, die durch die Akkumulation von Natrium(hydrogen)carbonat primär in warmen ariden Gebieten entstehen. In diesen Sodaseen gibt es vielfach eine hohe Primärproduktionsrate durch Filamente-bildende Sauerstoff-produzierende Cyanobakterien. Der Abbau des gebildeten organischen Materials wird insbesondere durch Archaeen (z. B. aus den Gattungen Natronobacterium oder Natronococcus) und Gram-positive Bakterien (insbesondere aus der Gattung Bacillus „sensu-latu“) hervorgerufen. Alkalische Bedingungen können einerseits die Stabilität vieler (insbesondere polymerer) Zellbestandteile herabsetzen und andererseits die für Atmungsprozesse und Stofftransporte wichtigen Protonengradienten beeinflussen. Alkaliphile und alkalitolerante Mikroorganismen halten den pH-Wert ihres Cytoplasmas deutlich unterhalb des pH-Werts der Umgebung. Hieran sind neben spezifischen Zellwandstrukturen vielfach von Natrium-Ionen abhängige Protonen-Antiporter oder Symporter beteiligt. Eine kommerzielle Nutzung alkaliphiler Bakterien findet insbesondere bei der Gewinnung alkalistabiler Enzyme (z. B. für die Waschmittelproduktion) und Nahrungsergänzungsstoffen statt.
Andreas Stolz

Kapitel 7. Halophile

Hohe Konzentrationen an anorganischen Ionen liegen u. a. in Meerwassersalinen und Salzseen vor. In diesen Biotopen findet man im Allgemeinen nur wenige halophile bzw. halotolerante mehrzellige Organismen aber eine Vielzahl an Einzellern aus allen drei Domänen des Lebens. Hierzu gehören unter den Archaea die sogenannten „Halobakterien“ (z. B. aus den Gattungen Halobacterium oder Haloquadratum), innerhalb der Bacteria insbesondere Salinibacter ruber und die eukaryotische Grünalge Dunaliella salina. Hypersaline Lebensräume erfordern von den Bewohnern spezifische Anpassungsmechanismen, um den Austritt von Wasser aus dem Cytoplasma in das umgebende Medium zu unterdrücken. Einzellige Organismen können diesen Effekt nur kompensieren, in dem sie in ihren Zellen im Vergleich zum umgebenden Medium eine höhere Konzentration an gelösten Stoffen aufbauen. Hierzu können sie einerseits selektiv bestimmte anorganische Ionen aus dem Medium aufnehmen oder spezifische organische Stoffe (kompatible Solute) bilden. Die Bildung, Akkumulation und Ausscheidung dieser kompatiblen Solute stellen hochgradig dynamische Prozesse dar. Halophile Mikroorganismen werden einerseits bei der Lebensmittel-Herstellung (z. B. für Sauerkraut oder Soja-Sauce) und andererseits für die Produktion von Carotinoiden und kompatiblen Soluten kommerziell genutzt.
Andreas Stolz

Kapitel 8. Strahlungsresistente Mikroorganismen

Energiereiche Strahlung mit der Fähigkeit, lebende Zellen zu schädigen, tritt insbesondere in Form von γ-Strahlung und kurzwelligem UV-Licht auf. Die Bestrahlung von Organismen mit energiereicher Strahlung führt u. a. zur Bildung reaktiver Sauerstoff-Spezies und einer Vielzahl an DNA-Schädigungen. Es wurde bereits eine Reihe von Mikroorganismen isoliert, die strahlungsresistent sind, also eine Bestrahlung mit energiereicher γ-Strahlung (oder UV-Licht) überleben. In den meisten Organismen korreliert die Strahlungsresistenz mit einer ausgeprägten Stabilität gegenüber Austrocknung. Das am längsten bekannte und am besten untersuchte strahlungsresistente Bakterium ist Deinocococcus radiodurans, das eine mehr als 1000-fach höhere Strahlungsbelastung tolerieren kann als der Mensch. In den letzten Jahren wurden eine Vielzahl von Untersuchungen durchgeführt, um zu klären, durch welche Mechanismen D. radiodurans seine DNA nach einer für andere Organismen letalen Strahlenbelastung wieder reparieren kann. Hierbei wurde gezeigt, dass das Bakterium über eine besondere Genomstruktur verfügt, in der das Genom in einer Vielzahl an Kopien vorliegt. In den letzten Jahren mehren sich die Hinweise, dass der Organismus bei der Bestrahlung primär die Bildung hochreaktiver Sauerstoff-Spezies in seinem Cytoplasma verhindern kann und hierdurch einer Inaktivierung der DNA-reparierenden Enzyme durch die Bestrahlung entgeht.
Andreas Stolz

Kapitel 9. Extremophile Organismen und Astrobiologie

In den letzten Jahren wird im Rahmen der sogenannten Astrobiologie verstärkt versucht herauszufinden, ob irdische Organismen auch unter den Bedingungen des Weltraums oder außerirdischer Himmelskörper (über)leben können. Hierzu werden vielfach extremophile Mikroorganismen mit Hilfe von Satelliten und Raumstationen oder auf der Erde unter simulierten extraterrestrischen Bedingungen untersucht. Hierbei wird insbesondere der Einfluss extremer Temperaturverhältnisse, Vakuum, elektromagnetischer und ionisierender Strahlung auf lebende Organismen studiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass insbesondere kurzwellige UV-Strahlung eine ausgeprägte biozide Wirkung zeigt. Andererseits wurde für verschiedene Mikroorganismen und einige niedere Tiere gezeigt, dass diese für längere Zeit unter Weltraumbedingungen überleben können, wenn sie zum Überleben unter weitgehendem Wasserentzug befähigt und vor der UV-Strahlung abgeschirmt werden. Von den Himmelskörpern in unserem Sonnensystem könnten möglicherweise der Mars, der Jupitermond Europa oder die Saturnmonde Titan und Enceladus Leben ermöglichen, da auf diesen Himmelskörpern wahrscheinlich flüssiges Wasser vorhanden ist. Für mögliches Leben auf diesen Himmelskörpern könnten dann die irdischen Eis-bedeckten Gletscherseen der Antarktis, Salzseen oder Permafrostböden als Modellsysteme dienen.
Andreas Stolz

Backmatter

Weitere Informationen

BranchenIndex Online

Die B2B-Firmensuche für Industrie und Wirtschaft: Kostenfrei in Firmenprofilen nach Lieferanten, Herstellern, Dienstleistern und Händlern recherchieren.

Whitepaper

- ANZEIGE -

Systemische Notwendigkeit zur Weiterentwicklung von Hybridnetzen

Die Entwicklung des mitteleuropäischen Energiesystems und insbesondere die Weiterentwicklung der Energieinfrastruktur sind konfrontiert mit einer stetig steigenden Diversität an Herausforderungen, aber auch mit einer zunehmenden Komplexität in den Lösungsoptionen. Vor diesem Hintergrund steht die Weiterentwicklung von Hybridnetzen symbolisch für das ganze sich in einer Umbruchsphase befindliche Energiesystem: denn der Notwendigkeit einer Schaffung und Bildung der Hybridnetze aus systemischer und volkswirtschaftlicher Perspektive steht sozusagen eine Komplexitätsfalle gegenüber, mit der die Branche in der Vergangenheit in dieser Intensität nicht konfrontiert war. Jetzt gratis downloaden!

Bildnachweise