Forschende des Max-Planck-Instituts für marine Mikrobiologie in Bremen und weiterer Einrichtungen in Deutschland und den USA haben entdeckt, dass nicht nur Bakterien und Pilze, sondern auch Tiere Enzyme besitzen, mit denen sie das natürliche Biopolymer PHA abbauen können. PHA steht für Polyhydroxyalkanoate. Das sind natürliche Kunststoffe, die viele Mikroorganismen in ihren Zellen als Kohlenstoff- und Energiespeicher bilden. Bislang waren PHA-abbauende Enzyme vor allem aus Bakterien und Pilzen bekannt. Nun bestätigte das Team vom MPI die Aktivität eines PHA-abbauenden Enzyms auch bei dem darmlosen Meereswurm Olavius algarvensis experimentell. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature Ecology & Evolution erschienen.

Ein Wurm als Schlüssel

Alles begann mit dem Meereswurm Olavius algarvensis. Ein Tier, ohne Mund und Darm, das sich von symbiotischen Bakterien ernährt, die direkt unter seiner äußeren Hautschicht vorkommen. Dabei rückte sein dominanter Symbiont in den Fokus. Candidatus Thiosymbion algarvensis speichert 42 Prozent seines zellulären Kohlenstoffs als PHA. Die Frage war, wie der Wurm diesen Speicher verwerten kann. Im Erbgut des Wurms fanden die Forschenden schließlich das Gen für ein Enzym namens PHA-Depolymerase, kurz PHAD. Es zerlegt das Biopolymer PHA in kleinere, verwertbare Moleküle. Das Gen dafür ist genau dort aktiv, wo die Bakterien verdaut werden, in den Hautzellen des Wurms.

Gene für PHA-abbauende Enzyme sind weit verbreitet

Das Gen für eine PHA-Depolymerase in Olavius algarvensis ist offenbar kein Sonderfall. Vergleichende Analysen öffentlich verfügbarer Sequenzdaten ergaben PHAD-Gene bei allen weiteren 14 untersuchten darmlosen Ringelwurmarten. Entsprechende Gene fanden die Forschenden außerdem bei mehr als 66 Tierarten mit Verdauungssystem aus neun Tierstämmen, von Schwämmen bis Seesternen, sowie bei 19 Protistenarten, meist einzelligen Lebewesen mit Zellkern. Bei Enzymen aus einem Schwamm, einem Regenwurm und einem Springschwanz bestätigten die Forschenden die PHA-abbauende Aktivität ebenfalls experimentell. Viele dieser Organismen nehmen PHA wahrscheinlich mit ihrer Nahrung auf, etwa über Mikroorganismen in Boden, Sediment oder abgestorbenem organischem Material.

Die Verteilung der Gene deutet darauf hin, dass die Fähigkeit zum PHA-Abbau in der Evolution der Tiere sehr alt sein könnte. Der Vergleich der Gene verschiedener Tiergruppen legt nahe, dass bereits ein gemeinsamer Vorfahr der Tiere über ein entsprechendes Enzym verfügt haben könnte. Damit könnten Tiere stärker als bisher angenommen am natürlichen Umsatz mikrobiell erzeugter PHA und damit am Kohlenstoffkreislauf beteiligt sein.

Bedeutung für den Kohlenstoffkreislauf

Die Entdeckung weist auf einen bislang wenig beachteten Weg im natürlichen Kohlenstoffkreislauf hin. Wenn Tiere mikrobiell erzeugtes PHA abbauen, könnten sie den darin gespeicherten Kohlenstoff für ihren Stoffwechsel nutzen. Zudem könnte der Befund bedeuten, dass Tiere neben Mikroorganismen auch am Abbau von PHA-Biokunststoffen in der Umwelt beteiligt sind.

Für die Bioökonomie ist das relevant, weil PHA zu den biologisch erzeugten Kunststoffalternativen zählen. Wie PHA-basierte Materialien nach ihrer Nutzung in der Umwelt abgebaut werden, ist ein wichtiger Teil ihrer ökologischen Bewertung. Die Studie beschreibt jedoch kein technisches Recyclingverfahren und zeigt nicht, dass Tiere PHA-Produkte in der Umwelt schnell oder vollständig abbauen. Zudem fehlen belastbare Daten dazu, wie schnell natürliches PHA in verschiedenen Lebensräumen umgesetzt wird. Künftige Untersuchungen sollen klären, welchen Anteil Tiere am PHA-Abbau in Böden und Gewässern haben und in welchem Umfang sie auch PHA-basierte Kunststoffe abbauen können.

js