Bakterien sind überall um uns herum – und das ist okay

Victoria Orphan liebt den Ozean, so lange sie denken kann. Sie schnorchelte im Pazifischen Ozean in der Nähe des Hauses ihrer Familie in San Diego, Kalifornien. Sie schnappte sich ihre Maske und Schnorchelröhre, um die verborgene Welt der Pflanzen und Tiere unter der Meeresoberfläche zu besuchen. Orphan besuchte Anfang der 1990er Jahre ein College an der University of California, Santa Barbara. Dort entdeckte sie etwas, das ihr Denken über die Ozeane — und das Leben auf der Erde – veränderte.

Eine andere Studentin zeigte ihr ein kleines Fläschchen Meerwasser. Orphan fand es nicht so interessant. Es war einfach nur altes Wasser. Dann fügte der andere Schüler dem Wasser eine fluoreszierende Chemikalie hinzu und leuchtete ultraviolettes Licht darauf. Die Röhre leuchtete auf, als Millionen winziger Bakterien zu leuchten begannen. Nur wenige Augenblicke zuvor waren die Mikroben unsichtbar gewesen. „Diese winzigen Organismen waren überall“, sagt Orphan, „und doch konnten wir sie nicht sehen. Wir wussten fast nichts über sie.“

Sie verbringt jetzt ihre Tage damit, diese versteckte einzellige Welt zu erkunden. Als Geobiologe am Caltech in Pasadena, Kalifornien. sie untersucht, wie Bakterien und anderes mikroskopisches Leben die Tiefsee formen.

Bakterien spielen in vielen Ökosystemen eine zentrale Rolle. Dazu gehören die Ozeane, der Boden und die Atmosphäre. Sie sind auch ein großer Teil des globalen Nahrungsnetzes. Bakterien machen es möglich, dass alles andere Leben auf der Erde existiert. Deshalb sagen Wissenschaftler, dass diese einzelligen Organismen das unsichtbare Rückgrat allen Lebens sind – zumindest auf der Erde.

Dennoch gibt es viel, was wir nicht über sie wissen. Wissenschaftler glauben, dass sie weniger als ein Prozent aller Bakterienarten identifiziert haben. Das hat Orphan und andere dazu gebracht, die Geheimnisse ihrer einzelligen Welt zu erforschen. Sie vermuten, dass sich Bakterien als Schlüssel zum Verständnis und Schutz der wichtigsten natürlichen Ressourcen der Erde erweisen werden.

Die Methanfresser

Einige Bakterien fressen wirklich seltsame Dinge. Wissenschaftler haben Bakterien gefunden, die Steine, Abwasser — sogar Atommüll – fressen. Orphan untersucht eine Art von Bakterien, die auf dem Meeresboden leben und Methan verschlingen.

Methan ist ein Treibhausgas. Wie Kohlendioxid und einige andere Treibhausgase gelangt es in die Luft, wenn Menschen Öl, Gas und Kohle verbrennen. Es gibt auch natürliche Methanquellen wie Erdgas, Reisproduktion und Kuhdung. Treibhausgase speichern Wärme in der Atmosphäre. Ein Überschuss dieser Gase in der Erdatmosphäre hat das globale Klima erwärmt.

Methan kann auf dem Meeresboden aus der Erde sickern. Einige Wissenschaftler sagen, dass noch mehr Methan in die Atmosphäre entweichen würde, wenn es keine Meeresbakterien gäbe. Bestimmte dieser Bakterien ernähren sich von Methan. Dadurch können die Ozeane eine große Menge des Gases einfangen. „Diese Mikroorganismen sind die Gatekeeper. Sie verhindern, dass Ozeanmethan in die Atmosphäre gelangt, wo es den Treibhausgasgehalt verändern kann „, erklärt Orphan.

Einzellige Organismen auf dem riesigen Meeresboden zu finden, kann eine Herausforderung sein. Durch das Fenster eines U-Bootes sucht sie nach Clustern von Muscheln und riesigen Röhrenwürmern. Diese Organismen signalisieren, dass dort auch unsichtbare Meeresbakterien leben. Wo immer diese Methanfresser leben, bilden sie beim Essen neue Moleküle. Andere Organismen verwenden diese neuen Moleküle als Nahrung. Ein ganzes Nahrungsnetz entspringt auf dem Meeresboden.

Orphan und ihr Team haben methanfressende Bakterien entlang von Rissen auf dem Meeresboden gefunden, wo dieses Gas austritt. Diese Risse treten häufig dort auf, wo zwei tektonische Platten aufeinander stoßen.Einige Bakterien, so erfuhren sie, können Methan nur durch die Partnerschaft mit anderen einzelligen Organismen namens Archaeen (Ar-KEE-uh) essen. Dieses wichtige Detail könnte Wissenschaftlern helfen, besser vorherzusagen, wie viel Methan in die Luft entweicht, sagt Orphan.

In den Gräben

Methanfresser sind nicht die einzigen Tiefseebakterien, die Wissenschaftler interessieren. „In der Tiefsee leben einige ziemlich coole Mikroben“, sagt Jennifer Biddle. Sie ist Meeresmikrobiologin an der University of Delaware in Newark. Biddle untersucht Bakterien, die in Tiefseegräben leben.

Diese Unterwasserschluchten gehören zu den am wenigsten erforschten Orten der Erde. Sie sind unglaublich schwer zu erreichen. Challenger Deep gewinnt den Rekord für die tiefste bekannte Stelle auf dem Planeten. Am Grund des Marianengrabens im westlichen Pazifik liegt Challenger Deep etwa 11 Kilometer (mehr als 7 Meilen) unter der Meeresoberfläche. Wenn der Mount Everest, der höchste Berg der Welt, im Marianengraben sitzen würde, wäre sein Gipfel immer noch mehr als eine Meile unter den Wellen.

Der Marianengraben ist einer der härtesten Orte, an denen das Leben überleben kann. Null Sonnenlicht erreicht es. Seine Temperaturen sind kalt. Große Tiere, wie Wale oder Fische, können nicht besuchen, weil der intensive Druck dort sie zerquetschen würde. Kein Wunder also, dass die meisten Einheimischen mikroskopisch klein sind. Sie haben ihre extremen Bedingungen angepasst.

Biddle und andere Wissenschaftler haben sich mit Tiefseeforschern zusammengetan, um ein U-Boot in die Challenger Deep zu schicken. James Cameron steuerte das Schiff. (Er ist der Regisseur berühmt für Avatar und Titanic.) Cameron besuchte im März 2012 den Grund des Challenger Deep, während er einen Dokumentarfilm namens Deepsea Challenge 3D drehte. Aber die Wanderung des U-Bootes war nicht nur, um ein faszinierendes Video für die große Leinwand zu bekommen. Das Schiff brachte auch Sediment vom Boden des Grabens zurück.

Biddle und die anderen Wissenschaftler untersuchten das Sediment auf DNA. Sie suchten nach Genen bekannter Bakterien. Sie zeigten Beweise für einige, die als Parcubakterien bekannt sind.

Wissenschaftler wussten nicht einmal, dass diese große Gruppe von Bakterien bis 2011 existierte. Damals fanden sie einige im Grundwasser und Schmutz von einigen Stellen an Land. Aber Biddles Gruppe zeigte nun, dass es auch in einer der unzugänglichsten Tiefen des Ozeans überlebt.

Hier, im Graben, atmeten die Mikroben Stickstoff, nicht Sauerstoff (wie an Land). Und das macht Sinn. Sie hatten sich an Stickstoff angepasst, da ihr Zuhause wenig Zugang zu Sauerstoff hatte.

Je mehr Orte wir solche wenig bekannten Bakterien finden, sagt Biddle, desto mehr können wir lernen, was sie für ihre Ökosysteme tun.

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Vom Brot zu Biokraftstoffen

Sogar die Bakterien in unseren Küchen und Komposthaufen interessieren Wissenschaftler.

Sauerteigbrot bekommt seinen einzigartigen herben Geschmack, wenn eine Mischung von Bakterien den Zucker im Brotmehl mampft. Diese Bakterien bilden Kohlendioxid, Säuren und andere aromatische Verbindungen. Aber um zu funktionieren, brauchen Sauerteigbakterien ihre Freunde. Isolieren Sie nur eine Bakterienart aus der Mischung und die chemische Reaktion wird nicht stattfinden. Kein Sauerteig.Der Mikrobiologe Steve Singer lebt in der Nähe von San Francisco, einer kalifornischen Stadt, die für Sauerteigbrot berühmt ist. Er arbeitet für das Department of Energy am Lawrence Berkeley National Laboratory. Und er vermutete, dass er die Lehren aus Sauerteig nutzen könnte, um bessere Biokraftstoffe herzustellen. Diese pflanzlichen Kraftstoffe können Autos oder Lastwagen antreiben. Sie gelten als „grün“, dh umweltfreundlicher als fossile Brennstoffe.

Um Biokraftstoffe herzustellen, müssen Wissenschaftler Pflanzen in Zucker zerlegen. Diese Zucker können dann in Kraftstoffe wie Ethanol (eine Art Alkohol) umgewandelt werden. Die chemischen Reaktionen, die die Pflanzen abbauen, erfordern die Hilfe von Enzymen. Dies sind Moleküle, die chemische Reaktionen beschleunigen oder beschleunigen.

Die derzeit zur Herstellung von Biokraftstoffen verwendeten Enzyme sind teuer. Sie funktionieren auch nicht gut, sagt Singer. Deshalb suchen Forscher auf der ganzen Welt nach Enzymen, die die Kosten senken und die Produktion von Biokraftstoffen beschleunigen könnten.

Er wandte seine Suche nach ihnen dem Komposthaufen zu. Dort arbeiteten Bakteriengemeinschaften hart daran, verrottendes Obst und Gemüse abzubauen.

Singer nahm eine kleine Probe des Komposts zurück in sein Labor. Dort ließ er Bakterien aus dem Kompost in einem Becherglas wachsen. Später sammelte er Enzyme, die diese Bakterien herstellten, und testete sie an anderen Pflanzenbits. Es funktionierte: Die Enzyme zerlegten die Pflanzen in Zucker.So wie die Sauerteigbakterien ihre Freunde brauchen, um zu funktionieren, entdeckte Singer, dass diese Mikroben die nützlichen Enzyme nur dann produzierten, wenn sie Teil robuster Gemeinschaften verschiedener Kompostbakterien waren. Singer baut sein Projekt weiter aus. Sein Team züchtet Bakterien in riesigen Bottichen, sogenannten Bioreaktoren. Nachdem er viele der neuen Enzyme hergestellt hat, kann er testen, ob sie besser funktionieren als bestehende, um Pflanzenabfälle in Brennstoffe umzuwandeln.“Etwas aus der Umwelt zu nehmen und herauszufinden, wie es funktioniert, ist einer der besten Teile eines Mikrobiologen“, sagt Singer.

Metamikroben

Singer untersucht seine neuen Enzyme, ohne zu wissen, welche Bakterien sie herstellen. Das ist gar nicht so ungewöhnlich. Bakterien sind für das bloße Auge unsichtbar. Selbst mit einem Mikroskop kann es schwierig sein, zwei Arten voneinander zu unterscheiden. Sie sehen nicht so unterschiedlich aus wie zwei Arten von Vögeln oder Blumen.

Wissenschaftler brauchten einen anderen Weg, um Bakterien zu unterscheiden und zu wissen, wann sie auf neue gestoßen sind. Schlüssel zu diesem Sleuthing: DNA.

Alle Organismen werfen in ihrer Umgebung ein wenig DNA ab. „Es ist wie ein Fingerabdruck. Jeder ist einzigartig „, erklärt Kelly Ramirez. Sie studiert Bakterien am Niederländischen Institut für Ökologie in Wageningen.

Tupfen Sie Ihre Küchentheke ab und Sie finden möglicherweise menschliche DNA (von Ihnen und Ihren Eltern). Es könnte einige Pflanzen-DNA (aus dem Gemüse, das Sie gerade geschnitten) und von einem Pilz oder zwei. Es könnte sogar einige Hunde- oder Katzen-DNA geben, wenn Sie ein Haustier haben. Sie erhalten auch eine Menge bakterieller DNA, denn Bakterien sind überall!

Alle abgelegten genetischen Bits sind als Umwelt-DNA oder eDNA bekannt.

Wissenschaftler können diese genetischen Fingerabdrücke verwenden, um neue Bakterien zu entdecken, bemerkt Ramirez. Sie müssen nur ein bisschen Schmutz oder Meerwasser oder Kompost in ein Labor bringen und prüfen, was drin ist.Die Summe des gesamten genetischen Materials in einer Umgebung wird als Metagenom (MET-uh-GEE-noam) bezeichnet. Betrachten Sie es als DNA-Suppe. Alle Moleküle, die zum Aufbau der Gene verschiedener Organismen verwendet werden, sind durcheinander gebracht.

Wissenschaftler benutzen Computer, um das Chaos zu entwirren.

Wie ein Sieb filtern Computerprogramme die Suppe. Sie suchen nach bekannten Mustern, die als genetische Sequenzen bekannt sind. Sie bilden den DNA-Fingerabdruck eines Organismus. Wenn Wissenschaftler einen Fingerabdruck finden, den sie nicht erkennen, kann dies daran liegen, dass er von einer neuen Spezies stammt.

Wissenschaftler können diese Muster mit den Fingerabdrücken bekannter Bakterien vergleichen, um zu sehen, wo die neuen Bakterien in den Baum des Lebens fallen. „Wir können jetzt neue Mikroben entdecken, ohne sie jemals zu sehen“, erklärt Biddle von der University of Delaware.

Das bakterielle Glied des Baumes des Lebens sprießt neue Triebe und Zweige schneller als zu irgendeinem Zeitpunkt in der Geschichte. Vor dreißig Jahren passten alle bekannten einzelligen Organismen auf dem Planeten in ein Dutzend Hauptgruppen. Jetzt gibt es ungefähr 120 bekannte Gruppen oder Phyla (FY-lah). Und die Anzahl der benannten Bakterien in jeder Gruppe wächst täglich.

Wenig Leben, große Daten

Was bekommen Sie, wenn Sie die DNA-Sequenzen von Millionen neuer Bakterien addieren? Viele, viele Daten.

Man kann sich den Planeten als Maschine vorstellen und alle Ökosysteme auf der Erde als Teile der Maschine, sagt Jack Gilbert. All diese Daten zur bakteriellen DNA sind der Schlüssel zum „Verständnis der Teile, aus denen die Maschine besteht und wie sie alle zusammenarbeiten“, sagt er. Gilbert ist Mikrobiologe am Argonne National Laboratory in der Nähe von Chicago, Illinois.

Sein Team versucht, diese Daten in einem virtuellen Katalog aller Bakterien auf der Erde zu organisieren. Es heißt das Earth Microbiome Project. Mehr als 1.000 Wissenschaftler auf der ganzen Welt helfen, Proben zu sammeln. Sie suchen in einer Vielzahl von verschiedenen Umgebungen und testen sie dann auf bakterielle DNA.

Bisher haben die Forscher 100.000 Proben gesammelt. Sie haben Bakterien aus dem tiefsten Ozean katalogisiert. Sie haben Bakterien auf der Internationalen Raumstation gefunden, etwa 350 Kilometer (220 Meilen) über der Erde. Sie haben Bakterien an exotischen Orten wie dem Amazonas-Regenwald und an gewöhnlichen Orten wie öffentlichen Toiletten entdeckt.Die Entdeckung, welche Bakterien dort lauern — und warum – ist der erste Schritt, um zu verstehen, wie verschiedene Ökosysteme die riesige Maschine antreiben, die wir als Leben auf der Erde betrachten. Das Lernen über Bakterien kann uns helfen, Fragen zu beantworten, wie unser Planet funktioniert, sagt Gilbert. Bakterien könnten erklären, warum Korallenriffe im Ozean voller Leben sind. Oder sie könnten erklären, warum die Böden der nordamerikanischen Prärie so gut zum Anpflanzen von Pflanzen geeignet sind.

Deshalb ist diese Suche so wichtig, sagt er: „Das ist Wissen, das uns helfen kann, uns besser um den Planeten zu kümmern.”