Marine Mikroben
Wie winzige Mikroorganismen die Ozeane reinigen und Infektionen heilen können

Die Lösung für viele Probleme könnte im Meer liegen. Denn manche Mikroorganismen aus dem tiefen Ozean besitzen die Fähigkeit, Infektionen zu heilen, Knochen zu flicken oder Plastikmüll zu zersetzen.

Nadine Zeller
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Marine Mikroorganismen sind die grosse Hoffnung der Mikrobenforscher. Im Bild: Die Christusstatue im Meeresschutzgebiet Portofino.

Marine Mikroorganismen sind die grosse Hoffnung der Mikrobenforscher. Im Bild: Die Christusstatue im Meeresschutzgebiet Portofino.

imago/Nature Picture Library

Sie sind klitzeklein und für das menschliche Auge unsichtbar: Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze und Algen. Doch in manchen von ihnen stecken ungeahnte Kräfte. Erst kürzlich haben japanische Forscher ein Bakterium entdeckt, das Kunststoff zersetzt. Andere Untersuchungen haben gezeigt, dass Mikroorganismen in der Lage sind, Erdöl abzubauen und verhindern können, dass sich Krebszellen teilen.

Lösen Bakterien unser Müllproblem, halten sie die Ozeane sauber und heilen sie uns womöglich eines Tages? Fest steht: Es herrscht Goldgräberstimmung unter Mikrobenforschern. Der Bremer Mikrobiologe Frank Oliver Glöckner spricht schneller, wenn er vom Potenzial der Unterwasserwelt erzählt: «In einem Milliliter Meerwasser tummeln sich bis zu einer Million Bakterien. Im Ozean gibt es Mikroorganismen seit Milliarden von Jahren. Da sind Bakterien und Algen dabei, die können Sachen, die wir nicht einmal zu träumen wagen.» Anfang 2012 startete er mit anderen Forschern das von der EU getragene «Ocean of Tomorrow»-Projekt Micro B3. Vier Jahre lang sammelte das Team Mikroben an verschiedenen Stellen des Meeres und suchte darin nach Gensequenzen, die für die Biotechnologie interessant sein könnten.

Sie werden mit allem fertig

Dass Forscher sich erst in letzter Zeit dem Ozean zuwenden, hat einen Grund. Mitte der Neunzigerjahre etablierten sich Methoden wie die Genanalyse und -sequenzierung, die es erlaubten, die DNA der Mikroben zu erfassen. Bis dahin züchteten Wissenschafter die Kleinstlebewesen unter Laborbedingungen und beobachteten sie. Ein langwieriges Verfahren, das oft zu unbefriedigenden Ergebnissen führte. Heute ermöglicht der technologische Fortschritt ein gezielteres Vorgehen. Mit jedem weiteren Fund steigt bei den Forschern die Hoffnung.

Meeresmikroben weisen eine extreme Vielfalt auf. Sie sind enorm anpassungsfähig und haben im Laufe der Jahrtausende sehr ausdifferenzierte Überlebensmechanismen entwickelt. Sie halten hohen Druck aus, können unter extremen Temperaturen überleben und kommen in Gewässern mit unterschiedlichsten pH-Werten und Salzgehalten vor. Das macht ihre Enzyme so vielseitig. Im Laufe der vergangenen vier Milliarden Jahre sind Mikroorganismen mit so ungefähr allem fertig geworden, was sie bedroht. Ihre Enzyme haben also viel Erfahrung damit, verschiedenste Substanzen und auch Gifte zu spalten und Nahrung zu zerkleinern. «Das macht sie so wertvoll für die Biotechnologie», erklärt Glöckner.

Doch warum interessieren sich die Forscher ausgerechnet für die Enzyme? Enzyme spalten grosse Nahrungsmoleküle in Stückchen auf und helfen dem Körper dabei, sie zu verdauen. Gleichzeitig entfernen sie Abfallstoffe aus dem Organismus und halten das Immunsystem von Menschen, Mikroorganismen und Tieren gesund. «Die Enzyme mariner Mikroorganismen sind deshalb so spannend, weil sie Stoffe spalten können, die bisher bekannte Enzyme nicht kleinkriegten», sagt Glöckner.

Ein Beispiel: Greifen Bakterien das Immunsystem des Menschen an, helfen andere Bakterien auf und in unserem Körper dabei, die unerwünschten Bakterien abzutöten. Dazu stellen sie auch Antibiotika her. Pharmafirmen begannen in den Dreissigerjahren, diese Wirkstoffe künstlich herzustellen und retteten damit viele Menschenleben.

In den vergangenen Jahren entwickelten jedoch immer mehr Bakterien Resistenzen wegen des hohen Antibiotikaeinsatzes in der Massentierhaltung und in Kliniken. Experten sprechen bereits vom postantibiotischen Zeitalter und sehen eine Krankheitswelle auf uns zurollen, die wir ohne neue Antibiotika nicht eindämmen können. Aus diesem Grund versuchen Forscher weltweit, neue Wirkstoffe zu finden. So auch Glöckner und sein Team.

Ein Schwamm verspricht Erfolg

Ihre Analyse unterschiedlicher Mikroben förderte ein vielversprechendes Bakterium zutage, das auf einem marinen Schwamm lebt und dessen Enzym einen antibiotischen Wirkstoff produziert. Jetzt versuchen sie, den Wirkstoff künstlich herzustellen. Zunächst soll es in Aquakulturen zum Einsatz kommen. Auch wenn es 15 Jahre dauern kann, bis daraus ein marktfähiges Medikament entsteht, ist die Aussicht auf neue Antibiotika ein Grund zur Hoffnung.

Auch bei Knochentransplantationen helfen Lebewesen aus dem Meer. Der Mainzer Molekularbiologe Werner Müller beschäftigt sich seit Jahrzehnten mit Schwämmen. Es sind die ältesten Lebewesen der Welt, auch wenn es sich bei ihnen nicht um Mikroorganismen, sondern um Tiere handelt. Unser menschliches Skelett hat sich aus dem des Schwammes herausgebildet. «Deshalb haben wir genau hingeschaut, wie bestimmte Schwämme ihr Skelett bilden. Dabei haben wir ein Enzym entdeckt, das den menschlichen Knochen aufbauen kann», erklärt Müller.

Mit der Entdeckung eines speziellen Phosphataseenzyms haben er und sein Team die Medizintechnik einen Schritt weitergebracht. Müller glaubt, dass es in zwei Jahren möglich sein wird, Zahnprothesen aus eigenem Knochenmaterial herzustellen und in rund fünf Jahren, Knochenimplantate einzusetzen, die eigenständig weiterwachsen.

Die Erfolgsgeschichte der marinen Mikroben kennt kein Ende: Erst kürzlich landeten japanische Wissenschafter vom Kyoto Institute of Technology einen Coup, als sie ein Bakterium im Meer entdeckten, das PET-Flaschen abbauen kann. Ideonella sakaiensis produziert zwei Enzyme, die sich die Arbeit teilen: Das erste Enzym verlässt das Bakterium, haftet sich an die Plastikoberfläche der PET-Flaschen, zerkleinert sie und schleust das Plastikmaterial als Futter zurück ins Bakterium, wo das zweite Enzym bereits darauf wartet, das vorgespaltene Plastikfutter in noch kleinere Teile zu zerstückeln und abzubauen.

Der deutsche Biotechnologe Uwe Bornscheuer vom Institut für Biochemie in Greifswald sieht im Plastik abbauenden Bakterium eine grosse Chance: «Den Kunststoff PET gibt es erst seit 70 Jahren, aber trotzdem hat die kurze Zeitspanne für eine Spezialisierung eines Bakteriums auf PET ausgereicht. Das ist ungewöhnlich, weil Enzyme meist verschiedene Aufgaben erfüllen», sagt der Forscher. Gleichzeitig dämpft er zu hohe Erwartungen, was die Lösung des weltweiten Müllproblems betrifft. Die Bakterien bräuchten sechs Wochen, um ein hauchdünnes PET-Filmchen abzubauen.

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