Mikrobiologie

Nur wenige der winzigen Einzeller machen uns krank. Viele haben Fähigkeiten, die ein Segen für die Menschheit sind. Lesen Sie diesen Bericht, dann denken Sie freundlicher über Bakterien.

Bakterien haben nicht den allerbesten Ruf. Na gut, einige von ihnen verschaffen uns Genuss – indem sie bei der Herstellung von Joghurt, Käse oder Bier mithelfen. Aber viele machen uns auch krank – da fällt es schwer, den kleinen Lebewesen ge-genüber eine positive Einstellung zu gewinnen. Das könnte sich jetzt ändern, denn Wissenschaftler entdecken zurzeit ganz neue Seiten an den Bakterien: Die Einzeller verfügen über Fähigkeiten, die sie zu wichtigen Helfern des Menschen machen könnten.

Beispielsweise fressen bestimmte Bakterien pflanzliche und tierische Fette in Abwasserrohren – nie wieder Verstopfung. Andere verdauen Essensreste zu Plastik, säubern mit Öl und Benzin verschmutze Erde oder holen radioaktives Uran aus dem Trinkwasser. Die Mikroben können Strom aus Zucker gewinnen, als Brennstoffzellen eingesetzt werden oder als kleinste elektrische Leiter dienen. Bakterien helfen auch beim Umweltschutz: In Fabrikschloten holen sie Kohlendioxid aus dem Abgas und eliminieren so ein gefährliches Treibhausgas. »Mikroben sind wundervoll«, sagt Anna Palmisano vom US-Energieministerium. »Sie können viele Probleme der Menschheit lösen.«

Ein Bakterium ist ein einzelliges Lebewesen – ein Mikroorganismus wie auch ein Pilz oder ein Virus. Die ersten Bakterien existierten schon vor Milliarden Jahren, als es auf der Erde noch keinen Sauerstoff gab – sie brauchten ihn nicht, denn sie atmeten z. B. Nitrat, Sulfat, Schwefel, Metall oder Kohlendioxid. Erst später betrieben Algen und Cyanobakterien Photosynthese und setzten dadurch Sauerstoff in die Atmosphäre frei. »Das war für die Bakterien zunächst wie ein Schadstoff«, sagt Kristien Mortelmans von der Gesellschaft für Industrielle Mikrobiologie in Menlo Park in Kalifornien. Doch schnell gewöhnten sich viele Mikroorganismen daran, Sauerstoff zu atmen: Er ist so hoch reaktiv, dass er die bequemste Quelle für den Stoffwechsel darstellte.

Die verschiedenen Atmungstypen machen es den Bakterien leicht, sich überall anzusiedeln – im Boden, in der Luft, im Wasser. Selbst unter höchstem Druck am Meeresboden oder in der kochenden Hitze heißer Quellen finden sie ein Zuhause, ebenso in Salzseen mit dreißigprozentiger Solekonzentration oder im polaren Eis. Allein 300 verschiedene Bakterien leben in unserem Mund und Darm. Die erste industrielle Nutzung der Mikroben war gegen den Menschen gerichtet: Der eingebürgerte Brite Chaijim Weizmann, der später erster Präsident Israels wurde, isolierte zwischen 1912 und 1914 das »Clostridium acetobytilum«, das im Gärungsprozess von Mais- oder Weizenmaische die Lösungsmittel Aceton und Butanol erzeugte – zwei wichtige Chemikalien für die Herstellung von TNT für Bomben im Ersten Weltkrieg.

Ganz und gar friedlichen Zwecken dient der im Schlamm lebende »Geobacter«. Er gilt heute als dasjenige Bakterium mit den meisten Anwendungsmöglichkeiten. Derek Lovley, Mikrobiologe an der Universität von Massachusetts, entdeckte diesen Keim 1987 auf dem Grund des Potomac-Flusses in Washington D.C.: »Ich hätte nie gedacht, dass mich ein einzelnes Bakterium so lange fesseln würde«, sagt Lovley. Inzwischen arbeiten 50 Wissenschaftler für ihn.

Was ist das Besondere an Geobacter? Eine seiner Fähigkeiten besteht darin, Rost aus Wasser und Erde zu atmen – und dabei Strom zu produzieren: »Er atmet Eisenoxid wie der Mensch Sauerstoff«, erklärt Lovley. Beim menschlichen Stoffwechsel werden Elektronen aus der Nahrung auf den eingeatmeten Sauerstoff im Blut übertragen – die Nahrung wird dadurch »verbrannt« und in Energie umgesetzt. Der Unterschied beim Stoffwechsel des Geobacter besteht darin, dass dieser die Elektronen nicht auf Sauerstoff überträgt, sondern auf Eisenoxid z. B. im Boden – die Atmung findet also außerhalb des Einzellers statt.

Damit das funktioniert, bildet das Bakterium so genannte Pili aus: extrem feine Fäden – 10000-mal so dünn wie ein menschliches Haar und mit 20 Mikrometer Länge zehnmal so lang wie der Geobacter selbst. Mit den Nanodrähten dockt er am Metalloxid an, lässt die Elektronen aus der Nahrung dorthin fließen – und produziert auf diese Weise Strom.

Aber nicht die Stromerzeugung an sich ist für die Wissenschaft interessant, sondern der Stromleiter – die Nanodrähte. Man will jetzt herausfinden, unter welchen Bedingungen dem Geobacter besonders lange Pili wachsen. In Bakterienfarmen sollen die Nanodrähte dann geerntet und vielleicht sogar zusammengeschweißt werden – um später als Hardware in Geräten eingesetzt zu werden: Damit wäre eine nächste Stufe der Minituarisierung möglich. Lovley, der die Pili gerade erst entdeckt hat, schwärmt schon jetzt: »Eines Tages können wir die Nanodrähte vielleicht in Massen produzieren und in Mini-Elektrogeräten, Sensoren und mikrobiellen Brennstoffzellen verwenden.«

Geobacter kann noch mehr: Er holt via Atmung giftige lösliche Uranoxide aus dem Grundwasser. Seit drei Jahren laufen erfolgreiche Tests mit dem Bakterium in einer stillgelegten Uran-Mine im US-Bundesstaat Colorado. Die Reinigung mit Pumpen und Filtern dauert Dekaden und setzt die Arbeiter der radioaktiven Strahlung aus. Damit Geobacter diesen Job übernimmt, hat Lovley Acetat ins uranverseuchte Grundwasser der Mine gepumpt. Dieses Salz der Essigsäure fressen die Bakterien besonders gern – es regt sie zu schnellem Wachstum an. Beim Atmen transferieren sie Elektronen auf die Uranionen und verwandeln sie so in eine nicht lösliche Form, die sich im Sediment ablagert und nicht ins Grundwasser sickern kann.

Um das Uran gänzlich aus der Natur zu entfernen, hat Lovley einen weiteren Trick entwickelt. Er steckt eine negativ geladene Graphitelektrode in den Boden, die die positiv geladenen Uranionen wie ein Magnet anzieht: Sie lagern sich dadurch nicht im Sediment, sondern an der Elektrode ab – zieht man sie aus dem Boden, ist die Verschmutzungsgefahr des Grundwassers gebannt. Bis Lovley seine bakterielle Uranvernichtung zu einer Großtechnologie weiterentwickeln kann, mit der sich die rund zwei Milliarden Liter radioaktiv verseuchten Grundwassers in den USA reinigen lassen, werden aber noch Jahre vergehen.

Andere Einzeller werden ebenfalls als Saubermänner eingesetzt: Sie fressen Öl- und Benzinreste aus dem verseuchten Boden von alten Tankstellen. Oder Vinylchlorid – eine der am weitesten verbreiteten Chemikalien überhaupt und extrem gefährlich. Dieses Gas entsteht u. a. bei der Produktion von PVC (zum Beispiel für Dachrinnen, Computergehäuse, Bodenbeläge oder Fensterrahmen) und in chemischen Renigungen. Rund sieben Milliarden Kilogramm Vinylchlorid gelangen allein in den USA jährlich in die Luft. Da es leicht wasserlöslich ist, sickert es außerdem durch das Erdreich ins Grundwasser, wo es über Hunderte von Jahren nicht abgebaut wird. Es erregt selbst in kleinen Mengen Nervenschäden oder Krebs. Ein kurzer Kontakt reicht aus, um Schwindel, Übelkeit und Kopfschmerz auszulösen.

Frank Löffler, Mikrobiologe bei der Firma Georgia Tech, fand unter Tausenden von Mikroben das geeignete Gegenmittel gegen Vinylchlorid: den Stamm BAV1 der »Dehalococcoiden«-Bakterie. Sie frisst Wasserstoff und atmet Chlor – vom supergiftigen Vinylchlorid lässt sie nur das harmlose Gas Ethen übrig, das in hoher Konzentration auf Menschen wie Lachgas wirkt. Jetzt wird weitergeforscht, unter welchen Bedingungen die Bakterie am schnellsten wächst oder die größtmögliche Menge Schadstoff abbaut. Löffler träumt davon, eines Tages mit den Dehalococcoiden auch Umweltgifte wie PCB angehen zu können, die ebenfalls auf Chlor basieren – »doch wir stehen erst ganz am Anfang«.

Auch die Medizin bedient sich der winzigen Helferchen – etwa bei der Herstellung von Insulin. Dieses normalerweise in der Bauchspeicheldrüse produzierte Hormon regelt den Zuckerhaushalt im Blut. Zuckerkranken, deren Blut zu wenig Insulin enthält, wurde seit Beginn des 20. Jahrhunderts geholfen, indem man ihnen tierisches Insulin von der Kuh oder dem Schwein spritzte. Heute übernehmen genetisch veränderte »E. coli«-Bakterien die Insulin-Produktion. Im Labor schneidet man aus der DNA der Bakterien mithilfe von Enzymen einen Teil heraus und setzt das für die Insulin-Bildung verantwortliche menschliche Gen ein. Dann lässt man die Mikroben in einer Nährlösung aus Hefe heranreifen. Sind sie groß genug, erhalten sie die der Milchsäure verwandte Chemikalie IPTG als Nahrung – diese schaltet das eingepflanzte Gen ein, das produzierte Insulin speichert der Einzeller. Vermehren sich die Bakterien, bilden auch ihre Nachkömmlinge Insulin – so entsteht das begehrte Hormon in großen Mengen. Schließlich werden die Mikroben getötet und aufgebrochen, das Insulin wird extrahiert und gereinigt. Millionen von Diabetikern verdanken heute den organischen Insulinfabriken ein Mittel, das besser verträglich ist als das von der Kuh oder dem Schwein. Inzwischen werden auf die gleiche Weise auch Wachstumshormone und das Anti-Viren-Mittel Interferon gewonnen.

Strom aus Zucker – das schafft ein Bakterium namens »Rhodoferax ferrireducens«. Lovley hat es durch Zufall gefunden, als er in einer unterirdischen Wasserader im US-Bundesstaat Virginia ganz andere Mikroben suchte. Zu seiner Überraschung verschlang das Bakterium mit Vorliebe alle Arten von Zucker. Normalerweise braucht Rhodoferax ferrireducens für seinen Stoffwechsel Sauerstoff – ist aber keiner vorhanden, atmet es auch andere Stoffe in der Umgebung wie Eisen oder Graphit: Es leitet Elektronen aus der Nahrung dorthin – Strom fließt.

Diesen Prozess machte sich Lovley zunutze: Er setzte eine Rhodoferax-Kultur in einen Tank, in dem Elekt-roden (genauer: positiv geladene Anoden) aus Graphit hingen. Wurden die Bakterien mit Glukose, Fruktose oder Xylose gefüttert, kam ihr Stoffwechsel in Gang – sie atmeten Graphit, indem sie (negativ geladene) Elektronen zur Anode schickten. Der so entstandene Strom war durchaus nennenswert: Aus einem einzigen Zuckerwürfel gewann die Rhodoferax-Bakterie genügend Energie, um ein Handy vier Tage lang in Betrieb zu halten.

»Die Effizienz ist bemerkenswert«, sagt Leonard Tender vom Naval Research Laboratory in Washington D.C. Deshalb macht er schon weitergehende Pläne für den Einsatz der Mikroben: »Langfristig können wir zur Gewinnung alternativer Energie das Verbrennen von Biomasse durch Bakterien ersetzen.« Alternative Energie ist auch in den USA ein großes Geschäft: Pro Jahr werden hier 37 Milliarden Kilowattstunden Strom aus Landwirtschaftsabfällen gewonnen – genug, um den Bundesstaat Colorado mit Strom zu versorgen. Die Biomasse wird verbrannt, um Dampf zu erzeugen, der Turbinen antreibt: ein Verfahren, das nur 20 bis 40 Prozent der Energie in den Abfällen in Strom umsetzt. Bei der bakteriellen Stromerzeugung wäre die Ausbeute viel größer. Noch arbeiten die Keime allerdings zu langsam, um industriell eingesetzt zu werden. Aber Lovley ist zuversichtlich: »Es gibt jede Menge Möglichkeiten für Verbesserungen. Allein wenn wir eine Elektrode aus porösem Graphit einsetzten, die eine größere Oberfläche besitzt, verdreifachen wir die Geschwindigkeit.«

Aus Zucker können Bakterien nicht nur Strom gewinnen – sondern auch Kunststoff. Zurzeit wird das synthetische Material noch aus Erdöl hergestellt – doch die explodierenden Ölpreise machen die Produktion extrem teuer. Außerdem ist Plastik aus Erdöl ein Umweltproblem: Es verrottet nicht. Ganz anders Kunststoff, den Mikroben aus Zucker erzeugen: Er ist kompostierbar. Die US-Firma Metabolix hat ein Verfahren zur Herstellung von abbaubarem Plastik entwickelt – hält aber seine Methode und den Namen der verwendeten Bakterien streng geheim. Bekannt ist lediglich, dass der bakteriell gewonnene Kunststoff zu feuchten Hygienetüchern und Tampons verarbeitet wird.

Mehr weiß man über die Methode, mit der der aus Hongkong stammende Wissenschaftler Jian Yu an der Universität von Hawaii arbeitet: Er veranlasst das Bakterium »Ralstonia eutropha«, aus Essensresten Plastik zu produzieren. Yu sammelte in der Cafeteria seiner Universität die Küchenabfälle ein und gab sie den Mikroben zu fressen. Dabei setzte er ein zweistufiges Verfahren ein. In einem Bioreaktor ließ er die Abfälle 20 Tage lang fermentieren, dabei bildeten sich verschiedene organische Säuren, darunter Milchsäure. Diese wanderten durch eine Membran in einen zweiten Bioreaktor, in dem Ralstonia eutropha wartete: Für das Bakterium sind die Säuren ein willkommenes Nahrungsmittel. Wenn es ordentlich futtert, speichert es die dabei aufgenommene Energie, ähnlich wie Menschen Fett oder Pflanzen Stärke speichern: Es lagert PHA (Polyhydroxyalkanoat) ein – einen Polyester, der viele Eigenschaften von Polyethylen besitzt. Verantwortlich für die Plastikproduktion ist ein Gen, das die Forscher inzwischen isolieren konnten.

Nach 80 Stunden besteht die Bakterie zu 73 Prozent aus Kunststoff, das im Labor mit Enzymen herausgelöst werden kann. Je nachdem, welche Säuren die Mikrobe gefressen hat, bekommt das PHA andere Eigenschaften – so lässt sich ganz gezielt hartes oder elastisches Plastik herstellen. »Ein tolles Verfahren«, sagt Jian Yu, »weil unser Rohstoff nichts kostet, das Plastik verrotten kann und bei der Produktion kein Müll entsteht – die Reste dienen als Dünger.«

Den Hunger von Mikroben nutzt auch William Hadley: Zu den Mitarbeitern seines Unternehmens Environmental Biotech im US-Bundesstaat Florida gehören Fett fressende Bakterien – deren Name Betriebsgeheimnis ist. Hadley suchte sie aus rund 250 Stämmen aus, deren Vorliebe für schwere Kost bekannt ist. Dann trainierte er die Winzlinge darauf, besonders große Mahlzeiten zu verzehren. Wenn sie das 75fache herkömmlicher Bakterien zu sich nehmen können, sind sie reif für den Einsatz: Hadley pumpt sie bei seinen Kunden regelmäßig in die Abflussrohre, um Verstopfungen vorzubeugen. Die Einzeller schmausen sich nämlich begeistert durch die Fettablagerungen, sodass alles im Fluss bleibt – ohne Chemie. Das Verfahren klingt einfach, »doch es erforderte jahrelange Forschung, bis die Bakterien effizient und zuverlässig arbeiteten«, erzählt der Firmenboss. Zuverlässig heißt auch, dass die Fettfresser nach getaner Arbeit nicht irgendein Unheil anrichten: Nach 50 Zellteilungen sind sie wieder harmlos wie eh und je – und eine Zellteilung passiert alle 15 Minuten.

Environmental Biotech boomt: Zu den Kunden gehören McDonald’s und Tausende andere Restaurants, die Stadt Walthan in Massachusetts und diverse Supermärkte in Großbritannien. Mehr als 40 Wissenschaftler arbeiten in den Firmenlabors. Mit mehreren Franchise-Partnern ist das Unternehmen heute in zehn Ländern tätig und erzielt 25 Millionen Dollar Umsatz. Wenn Hadley seine Bakterien in alle Welt verschickt, ist Tempo oberstes Gebot: Die kleinen Putzteufel halten sich selbst im tiefgekühlten Zustand nur 14 Tage.

Ebenso aktiv in Sachen Sauberkeit ist »Prochlorococcus«. Diese am häufigsten vorkommende Cyanobakterie, eine Algenart, findet sich auch in den Meeren, wo sie noch in 200 Meter Tiefe Photosynthese betreibt und dabei im Meerwasser gelös-tes Kohlendioxid zu Sauerstoff veratmet. Das kann industriell genutzt werden – in Fabrikschloten: Wenn man sie hier ansiedelt, können sie das Treibhausgas aus dem Rauch holen. Besonders geeignet, weil hitzeresistent, sind Prochlorococcus-Stämme, die David Bayless, Ingenieur an der Ohio-Universiät, in den heißen Geysiren des Yellowstone-Nationalparks fand: Wer in 55 Grad Celsius heißem Wasser überlebt, dem machen auch die Temperaturen im Schornstein nichts aus.

Bayless’ Idee: Die Fabrikabgase werden zunächst mit Filtern von Schwefel und Asche gereinigt, dann auf 55 Grad Celsius abgekühlt und durch einen Bioreaktor mit den Bakterien geleitet. Die Menge der Mikroben muss genau auf die Abgasmenge abgestimmt werden, um den erwünschten Reinigungseffekt zu erzielen. Das Problem, genügend Licht für die Photosynthese und das Wachstum der Algen in den Abgasschacht zu bringen, will Bayless mit Spiegeln lösen: Sie fangen das Sonnenlicht ein und bündeln es, dann wird es über Glasfaserkabel in den Schornstein hinuntergeleitet. In vier Jahren will der Ingenieur so weit sein, dass seine bakterielle Abgasreinigung in einem echten Fabrikschlot getestet werden kann.

Ebenfalls einige Jahre wird es noch dauern, bis »Chlamydomonas« ihre Arbeit aufnehmen kann. Diese Bakterien setzen Wasserstoff aus Wasser frei, wenn sie durch Photosynthese wachsen und weder Sauerstoff noch Schwefel zum Atmen finden. Der Wasserstoff könnte als wichtige erneuerbare Energiequelle in Brennstoffzellen und damit in unseren Autos eingesetzt werden. Der bakterielle Prozess wäre um-weltfreundlicher als die Gewinnung von Wasserstoff durch Elektrolyse, weil dabei keine schädlichen Treibhausgase entstehen. Zurzeit arbeiten die Wissenschaftler daran, Chlamydomonas genetisch so zu verändern, dass ihre Wasserstoffproduktion im industriellen Maßstab möglich wird.

Weltweit forschen Hunderte Labors von Universitäten und Unternehmen nach neuen Einsatzmöglichkeiten von Bakterien. Doch die meisten der winzigen Lebewesen dienen uns bereits seit Menschengedenken – völlig unbemerkt. »Die kleinen Gesellen sind überall«, sagt Kristien Mortelmans, »wir sollten sie nicht als Übeltäter einschätzen, denn nur wenige machen uns krank.« Wer sich zum Schutz vor Mikroben die Hände mit antibakterieller Seife wasche, mache sich etwas vor, sagt die Mikrobiologin: »Erstens bleiben noch immer Millionen übrig. Und zweitens bilden sie einen Schutzschild, der die wirklich bösen Keime abwehrt.«