Читать книгу Prüfungen erfolgreich bestehen im Fach Mikrobiologie - Johannes Wöstemeyer - Страница 21

2Archäen

Gelegentlich fällt es schwer, den Domänencharakter der Archäen zu verstehen. Neben der nicht sonderlich glücklichen, doch leider noch immer verbreiteten Bezeichnung Archaebakterien liegt das an den morphologischen Ähnlichkeiten mit der Domäne der Bakterien. Die phylogenetische Eigenständigkeit der Archäen wird allerdings sofort deutlich, wenn man die molekularen Besonderheiten dieser Domäne betrachtet. Die DNA etlicher dieser Organismen ist in Histone verpackt, die zwar deutlich kürzer sind als bei Eukaryonten, jedoch durchaus Homologie erkennen lassen. Die DNA bildet auch tatsächlich nucleosomenartige Strukturen, die große Ähnlichkeit mit der Nucleosomenstruktur des Genoms bei Eukaryonten aufweisen. Auch lassen die Archäen, ganz anders als die Bakterien, eine deutliche Tendenz zu mehr als einem Replikationsursprung ihrer DNA erkennen. Insbesondere auf Transkriptionsebene wird die Ähnlichkeit der Archäen mit den Eukarya deutlich. Die RNA-Polymerase hat keine Ähnlichkeit mit der recht einfachen RNA-Polymerase der Bakterien, wohl aber mit den Polymerasen der Eukaryonten. In der Konsequenz erinnern auch die Promotoren eher an Eukaryonten. Viele Komponenten der Translationsmaschinerie sind allen drei Domänen gemeinsam, andere sind typisch für die jeweilige Domäne. Insgesamt jedoch sind die Ähnlichkeiten der Ribosomen und Translationsfaktoren zwischen Eukaryonten und Archäen deutlich größer als die der beiden prokaryontischen Domänen untereinander.

Die Zellwände der Archäen weisen im Gegensatz zu denen der Bakterien kein durchgehendes Prinzip auf. Neben zellwandlosen Formen gibt es viele Organismen, die lediglich durch parakristallin angeordnete Proteine nach außen abgegrenzt werden. Archäen, die von Poly­saccharid-Wänden umgeben sind, weisen erhebliche Unterschiede zum Murein der Bakterien auf. Auch die Membranen unterscheiden sich von denen der Eukaryonten und auch von dem – immerhin auch nicht ganz einheitlichen – Bild bei Bakterien. Charakteristisch für Archäen ist der Verzicht auf Fettsäuren in den lipophilen Seitenketten der Phospholipide. Stattdessen verwenden sie die C20-Seitenkette des Phytanylrests, der über eine Etherbindung an das Glycerin gekoppelt ist. Der Vorteil solcher Etherbindungen ist die erheblich verbesserte Thermostabilität im Vergleich zu den bekannteren Fettsäure-Estern. Um auch die physikalische Thermostabilität der Membran zu erhöhen, zeichnen sich viele Archäen durch kovalente Verknüpfung der Phytanylreste beider Membranhälften aus. Auch die Flagellen der Archäen unterscheiden sich sehr deutlich in Dicke und Aufbau von denen der Bakterien.

Systematik und Phylogenie der Archäen sind Gegenstand der Debatte. Momentan gelten zwei große Phyla als gesichert, die Euryarch-aeota und die Crenarchaeota. An der Basis der Entwicklungsgeschichte stehen die hyperthermophilen Crenarchaeoten. Bei Pyrolobus fumarii hat man noch Wachstum bei 113 °C gemessen. Derzeit die höchste Temperatur, bei der Archäen noch wachsen, beträgt 122 °C für einen speziellen Stamm von Methanopyrus kandleri. Die Euryarchaeota sind phylogenetisch jünger; hierhin gehören die extrem halophilen Gattungen Halobacterium und Natronococus, die extrem acidophilen Gattungen, etwa die zellwandlosen Thermoplasmen, sowie die methanogenen Archäen, beipielsweise Methanococcus und Methanosarcina.

Zusammengenommen setzen Archäen pro Jahr etwa 109 Tonnen Methan frei. Angesichts der extremophilen Archäen darf man nicht vergessen, dass Archäen in nahezu allen Lebensräumen vorkommen. Auch Menschen werden von ihnen besiedelt, etwa in anaeroben Bereichen des Mundes und natürlich im Darm, wo sie für die Bildung von Methan verantwortlich sind. Hier spielen Methanobrevibacter- und Methanosphaera-Arten eine Rolle, nicht nur für die Methanbildung, sondern auch bei der Umwandlung des giftigen Methanols zu Methan. Allerdings kennt man bislang keine Krankheitserreger aus der Domäne der Archäen, weder für Tiere noch für Pflanzen. Biotechnisch in hohem Maße bedeutsam sind die Archäen, die in Biogasanlagen aus vielen Substraten Methan freisetzen. Die ökologische Bedeutung der Archäen erkennt man erst allmählich. Allein die Zahlenverhältnisse zwischen Bakterien und Archäen im Meer lassen vermuten, dass in dieser Domäne des Lebens noch erhebliche Überraschungen entdeckt werden können. Die hochgerechnete Anzahl von Bakterien in den Meeren liegt bei 3 x 1028, die der Archäen mit etwa 1 x 1028 ist nahezu ebenso hoch.

Übungen zu Kapitel 2

Ü 2.1

Geben Sie an, welche der folgenden Aussagen zur Biologie der Archäen richtig oder falsch sind!

Ü 2.2

Archäen bieten einige Besonderheiten im Aufbau ihrer Zellmembranen. Beschreiben Sie diese und recherchieren Sie die Strukturformeln der relevanten Komponenten!

Ü 2.3

Finden Sie Unterschiede im Zellwandaufbau der Archäen im Vergleich mit Bakterien!

Ü 2.4

Biogasanlagen basieren auf der Stoffwechselaktivität methanogener Archäen. Finden Sie heraus, welche Substrate zu Methan reduziert werden. Legen Sie bei Ihren Recherchen besonderes Augenmerk darauf, aus welchem physiologischen Grund diese Organismen das sehr energiereiche Methan bilden, und dann aber nicht selbst nutzen.

Ü 2.5

Welche Rolle spielen Archäen im Pansen von Wiederkäuern? Welche Stoffwechselprozesse führen sie hier aus?

Ü 2.6

Viele Archäen wachsen Kohlenstoff-autotroph. Recherchieren und beschreiben Sie die zugrunde liegenden Stoffwechselwege!

Ü 2.7

Thermoplasmen leben unter extremen Bedingungen. Welche Eigenschaften haben sie? Aus welchen Prozessen beziehen sie ihre Energie?

Ü 2.8

Arbeiten Sie die Unterschiede im Aufbau der Flagellen bzw. Geißeln zwischen Bakterien, Archäen und Eukaryonten heraus!