Die Verschmutzung von Böden und Gewässern ist ein globales Problem mit nachhaltigen Folgen für die Ökosysteme. Dabei handelt es sich unter anderem um langlebige und schwer abbaubare organische Substanzen wie Erdöl, die etwa in Mikroplastik, Pestiziden oder anderen synthetischen Chemikalien enthalten sind. Im Werkzeugkasten der Natur gibt es jedoch Mikroorganismen, die sich auf die Verwertung solcher Substanzen spezialisiert haben. Dazu gehört das unter Mikrobiologen bekannte Umweltbakterium Aromatoleum aromaticum, das eine wichtige Funktion bei der biologischen Bodensanierung übernimmt. Forschende der Universität Oldenburg, der TU Braunschweig und vom Leibniz-Institut DSMZ in Braunschweig haben nun den Stoffwechselweg des Bakterienstamms Aromatoleum aromaticum EbN1T komplett durchleuchtet. Sie liefern damit erstmals ein umfassendes Bild über die Funktionsweise des einzelligen Organismus.

Stoffwechselprozesse aufgedeckt

Im Rahmen der Studie kultivierte das Team die Mikroben unter sauerstoffhaltigen (aeroben) sowie sauerstofffreien (anaeroben) Bedingungen und stellte jeweils fünf verschiedene Nährstoffe zur Verfügung. Die Untersuchung des Bakterienstammes ergab, dass rund 200 Gene an den Abbauprozessen beteiligt sind. Die Forschenden fanden heraus, welche Enzyme für die Zerlegung der Substanzen verantwortlich sind, die den Mikroben als Nahrung dienten, und über welche Zwischenprodukte diese verschiedenen Nährstoffe abgebaut werden.

Darüber hinaus stießen sie auf bislang unbekannte Mechanismen des Stoffwechsels, die es Aromatoleum aromaticum ermöglichen, mit rasch wechselnden Umweltbedingungen klarzukommen. So zeigte sich, dass die Mikroben unabhängig vom Sauerstoffgehalt sämtliche Enzyme für den aeroben und den anaeroben Abbauweg produzieren – obwohl sie teilweise gar nicht gebraucht wurden. Die Forschenden vermuten, dass hinter der vermeintlichen Verschwendung eine Überlebensstrategie der Mikroben steckt.

Wachstumsmodell entwickelt

„Wir können den Organismus jetzt so genau beschreiben, wie es bislang nur für wenige andere Bakterien möglich ist“, sagt Ralf Rabus, Mikrobiologe an der Universität Oldenburg. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse entwickelte das Team auch ein Modell, mit dem sich das Wachstum des Bakterienstammes bei verschiedenen Umweltbedingungen berechnen lässt. „Durch diesen systembiologischen Ansatz gewinnt man ein tiefes, sozusagen ingenieurwissenschaftliches Verständnis eines Organismus'“, erläutert Rabus. „Man zerlegt das Bakterium in seine Einzelteile und kann diese dann wieder zusammensetzen – zu einem Modell, das voraussagt, wie schnell eine Kultur wächst und wie viel Biomasse entsteht.“

Neuer Modellorganismus für Ökosystemforschung

Mit ihrer Studie ist es den Forschenden gelungen, ein ganzheitliches Bild des zellulären Innenlebens des Umweltbakteriums zu zeichnen und so zu einem besseren Verständnis der Wechselbeziehungen des untersuchten Stamms sowie verwandter Bakterien mit der belebten und unbelebten Umwelt beizutragen. Vor allem aber kann das Modell künftig hilfreich sein, um etwa die Aktivität der Einzeller in verschmutzten Böden besser vorherzusagen und so optimale Bedingungen für die Sanierung einer Altlast herauszufinden. Damit könnte der Aromatoleum-Stamm künftig der Ökosystemforschung als Modellorganismus dienen.

bb