Die Urform des Sehens aus dem Salztümpel

FRANKFURT / MAIN. Vor fast genau hundert Jahren stach der Mykologe und Botaniker Heinrich Klebahn vom Kaiser-Wilhelm-Institut für Landwirtschaft in Bromberg mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs. Er übertrug das Material auf einen festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines vermeintlichen Salzbakteriums. Dieser Mikroorganismus heißt heute Halobacterium salinarum und ist gerade von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM) zur Mikrobe des Jahres 2017 gekürt worden. H. salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben. Diese ähneln zwar Bakterien, sind aber tatsächlich enger mit Pflanzen und Tieren verwandt, berichtet die VAAM in einer Mitteilung.

Archaeen sind die Urformen des Lebens. Sie sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer, Orte ohne Sauerstoff oder – wie H. salinarum – an hohe Salzkonzentrationen. Der Mikroorganismus wächst in Salinen und Salzlaken.

Dank spezieller Kanalproteine in der Zellhülle kann H. salinarum seinen Salzgehalt an die äußeren Bedingungen anpassen. Sogar in Salzkristallen überlebt es hunderte von Jahren. Da die Mikroben rote Farbstoffe enthalten, lassen sie Salzseen und Meersalz-Gewinnungsanlagen rot-violett erscheinen. Die Farbstoffe (Karotinoide) von Halobacterium salinarum reichern sich in der Nahrungskette an: Kleine Salzkrebse fressen die Mikroorganismen, von denen sich wiederum die Flamingos ernähren, sodass sich ihr Federkleid rosarot färbt.

Vorläufer unseres Sehsystems

Bacteriorhodopsin aus Halobacterium nimmt Licht auf und verwandelt es in Energie für den Stoffwechsel der Zellen: Die Farbe des Bacteriorhodopsins wechselt dabei von violett zu gelb. Die Farbstoffe in der Zellmembran von Halobacterium salinarum sind nicht nur für die Rotfärbung verantwortlich, sondern auch für eine besondere Art der Photosynthese, die Licht in für die Zelle verwertbare Energie umwandelt.

Die Entdeckung des dafür wichtigen Bacteriorhodopsins aus H. salinarum gelang dem Biochemiker Dieter Oesterhelt 1971. Das Faszinierende daran: Ein ähnliches Rhodopsin ist in unserem Auge für den Sehvorgang verantwortlich. Die Evolution der molekularen Grundlage unseres Sehsinns hat vermutlich seine Wurzeln in uralten Mikrobenformen.

Lichtschalter für neue Heilmethoden

Nach der Entdeckung des Bacteriorhodopsins von H. salinarum hat sich ein ganz eigenständiges Forschungsfeld entwickelt: die Optogenetik. Rhodopsine werden heute als molekulare "Lichtschalter" eingesetzt, um so das Verhalten von Nervenzellen gezielt zu untersuchen und zu steuern. Erste Erfolge deuten darauf hin, dass neuronale Defekte damit in Zukunft behandelbar sein könnten, beispielsweise Netzhauterkrankungen, Parkinson oder Epilepsie.

Bewegungskünstler in der Salzlake

Doch H. salinarum bietet noch weitere Besonderheiten: Es reguliert seine Zelldichte mithilfe von Gasvesikeln, die mit Luft gefüllt und von einer wasserdichten Proteinhülle umschlossen sind. Wie ein Taucher kann es so in bestimmten Wassertiefen schweben und geeignete Sauerstoff- und Lichtverhältnisse aufsuchen. In diesen Wasserschichten kann es auch umherschwimmen: Dank eines Antriebs mit langen Fortsätzen (Filamenten) schraubt es sich nach dem Prinzip eines Propellers durch die zähe Salzlösung. Die Archaeen haben dafür einen eigenen molekularen Drehmotor "erfunden", der auf ein zelleigenes Signal hin die Drehrichtung und damit die Orientierung der Zelle zufällig ändern kann. (eb/eis)