Bau und Leben extrem halophiler Archaea

43 Pages·2008·0.96 MB·German

by  Susanne M. Bickel

Bau und Leben
extrem halophiler Archaea
Bachelorarbeit
im
Studiengang Biologie
der Heinrich- Heine-Universität
Düsseldorf
Chantal Jansen
Erstprüfer: Prof. Dr. Bickel
Zweitprüfer: Prof. Dr. Alfermann
Bearbeitungszeitraum: 15.07.2007- 15.10.2007
Ratingen, den 15.10.2007
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Zusammenfassung
Bei den halophilen Archaea handelt es sich um Bakterien, die unter extremen
Lebensbedingungen gefunden werden. Sie benötigen zum Überleben eine Minimum
Salzkonzentration von 9%. Bei einer maximalen Salzkonzentration von 32% ist
Wachstum möglich, aber in einer verlangsamten Form. Sie werden hauptsächlich in
Salinen, im Toten Meer, aber auch in unterirdischen Salzvorräten gefunden. Hier sind
sie nicht nur hohen Salzkonzentrationen ausgesetzt, sondern auch hohen
Temperaturen, Sauerstoffmangel und UV-Licht. Durch einen stabilen Aufbau der
Membran und durch besondere Formen der Atmung wird es ihnen ermöglicht bei
diesen extremen Bedingungen zu überleben. In meiner Arbeit beziehe ich mich zum
größten Teil auf Halobakterium salinarum, da dies Halobakterium bis jetzt am
weitesten erforscht wurde.
Schlagwörter: Halophile Archaea, extreme hohe Salzkonzentrationen, Totes Meer,
9% Salzkonzentration, Membranaufbau, H. salinarum

Abstract
The extremly halophilic archaea is a microorganismus with a feature of long-term
microbial survival. They need to survive a minimum of 9% of salt concentration and
with a maximum of 32% it is able to grow smoothly. You can find them mainly in e.g.
the Dead Sea, natural brins, alkaline salt lakes and marine solar salterns where we
have high temperature, low water activity, ultraviolet-light and less oxygen. With the
strong structure of their membrane and the specific way of respiration they are able to
survive this extreme environment. Most of them has not been researched deeply. The
results of my investigation is based mainly on Halobacteria salinarum.
Keywords: extremly halophilic archaeon, Dead Sea, hypersaline soil, 9% salts,
Halobacteria salinarum
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Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung.......................................................................................................2
Abstract.........................................................................................................................2
Inhaltsverzeichnis.........................................................................................................3
Abbildungsverzeichnis.................................................................................................5
Abkürzungsverzeichnis................................................................................................7
1 Einleitung...........................................................................................................8
2 Die dritte Domäne des Lebens.......................................................................11
2.1 Arten..................................................................................................................11
2.2 Vorkommen........................................................................................................12
3 Extrem Halophile Archaea..............................................................................15
4 Beispielorganismus Halobakterium salinarum.............................................17
5 Wie können die Archaeen in Salzgewässern leben?...................................19
5.1 Membranaufbau.................................................................................................19
5.1.1 Die Purpurmembran..........................................................................................20
5.2 Die Energiegewinnung.......................................................................................21
5.2.1 Fermentation (Gärung)......................................................................................22
5.2.3 Lichtabhängige Ionen- Pumpen.........................................................................22
5.2.3.1 Aufbau von Bakteriorhodopsin (BR).................................................................22
5.2.3.2 Der Chromophor- dasRetinal............................................................................23
5.2.3.3 Funktion von BR...............................................................................................23
5.2.3.4 Photozyklus von Bakterirhodopsin (BR)...........................................................24
5.2.3.5 Halorhodopsin (HR)..........................................................................................25
5.2.3.6 Photozyklus von HR .........................................................................................26
5.2.4 Na+/H+ Antiporter (Langzeitenergiespeicher)..................................................28
6 Motilität.............................................................................................................29
7 Signaltranduktion............................................................................................31
7.1 Photoensorische Pigmente: Sensory Rhodopsine SRI und SRII......................31
7.1 Rezeptoren .................................................................................................32
9 UV-Schutz.........................................................................................................34
10 Die industrielle Bedeutung von halophilen Archaeen-
Bakteriorhodopsin als photochromes Sicherheitspigment........................35
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Literaturverzeichnis....................................................................................................38
Erklärung.....................................................................................................................40
Stichwortverzeichnis..................................................................................................41
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Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Phylogenetischer Stammbaum nach Woese 1990. Der anhand
von rRNA Sequenzen erstellte Stammbaum zeigt die Verwandtschaftsgrade der
drei Domänen des Lebens Bakterien, Archaea und Eukaryoten zueinander 9
Abbildung 2: Haloferax volcanii zeigt hier Wachstum auf einer Agarplatte und
in einer Kultur. Typische Rotfärbung der Halobakterien durch Carotinoide ist
hier deutlich zu erkennen
(http://www.nottingham.ac.uk/genetics/people/allers/research.php). 12
Abbildung 3: Lake Magadi in Kenia eine der größten Sodaquellen der Welt.
(www.lazypics.de/.../thumbnails/lake_magadi.jpg) 14
Abbildung 4: Der hohe Salzgehalt im Toten Meer verhindert das Untergehen
(http://www.kultour.ch/media/images/TOTES_MEER_Zeitung.jpg). 14
Abbildung 5: Saline (Salzgewinnungsstätten), San Francisco Bay (www.uni-
giessen.de/.../extrem_halophile.html). 15
Abbildung 6: Vorkommen der Archaea (www.unigiessen.de/..extrem _haloph
ile.htm). 16
Abbildung 7: Extrem Halophile: Die Farben dieser Teiche, aus denen
Meerwasser verdunstet, werden durch das dichte Wachstum von extrem
Halopohilen hervorgerufen. Das Wasser muss einen Salzgehalt von 15-20 %
erreichen. Die Teiche sind Teil einer Salzgewinnungsanlage; die halophilen
Archaea sind harmlos (Neil A. Champell/ Jane B. Reece). 16
Abbildung 8: Zeigt das stäbchenförmige Halobakterium salinarum.
(www.visindavefur.hi.is/myndir/halobakteria_09...) 17
Abbildung 9: Halobakterium salinarum: vom Ort des Vorkommens(cid:0) Phänotyp
von H.salinarum(cid:0) Membranaufbau(cid:0) eingelagertes Bakteriorhodopsin mit den
sieben Helicen (www.bph.ruhr-uni-bochum.de/bilder/br_abb01.jpg) 18
Abbildung 10: Lipide der Purpurmembran (Besir, Hüseyin
(2001):“Untersuchung der lipidvermittelten Kristallisation der Ionenpumpen
Bakteriorhodopsin und Halorhodopsin aus Halobakterium salinarum“). 20
Abbildung 11: Schematischer Aufbau des Bakteriorhodopsins. All-trans-
Retinal ist über SB (Schiff`sche Base) an das Protein gebunden
(http://www.biophysik.uni-freiburg.de/projekte/diplom_br.html) 22
Abbildung 12: Retinalchromophor beim Übergang von all- trans zum 13-cis
Retinal. (Doktorarbeit Jamila Guijarro (2006): „Untersuchung des
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lichtgetriebenen Chloridtransports in Halorhodopsin aus Natronobakterium
pharaonis mit statistischer und zeitaufgelöster FTIR- Spektroskopie“) 23
Abbildung 13: Die sechs wichtigsten Schritte des Photozyklus von BR mit den
dazu gehörigen Intermediaten (J, K, L, M1, M2, N, O) und ihren
Apsorptionsmaxima: Isomerisierung; T: Ionen-Transport; S:
Zugänglichkeitsänderung/ Switch (Jamila Guijarro Doktorarbeit 2001) 24
Abbildung 14: Schematischer Photozyklus von HR (Jamila Guijarro Seite 26)
(2006), „Untersuchung des lichtgetriebenen Chloridtransports in Halorhodopsin
aus Natronobakterium pharaonis mit statistischer und zeitaufgelöster FTIR-
Spektroskopie“). 26
Abbildung 15: Schematische Darstellung der zwei Photorezeptoren BR und
HR. Das Retinal ist als Schiff` sche Base an die Proteine gebunden und liegt in
der Mitte des Protonen- bzw. Chloridionenkanals (Kates, 1993) (Jamila Guijarro
S.18 (2006), „Unter -suchung des lichtgetriebenen Chloridtransports in
Halorhodopsin aus Natronobak- terium pharaonis mit statistischer und
zeitaufgelöster FTIR- Spektroskopie“) 27
Abbildung16: Schematische Modelldarstellung des Schaltzyklus im
Flagellarmotor (Oesterhelt, Dieter; Marvan Wolfgang (01/05): „Salz in der Suppe
des Lebens“ BiospektrumS.60 29
Abbildung 17: Bioenergetische Systeme und die Aktivierung des
Flagellarmotor (Oesterhelt, Dieter; Marvan Wolfgang (01/05): „Salz in der Suppe
des Lebens“ Biospektrum S. 60-62). 30
Abbildung 18: Schematische Darstellung der Retinalproteine aus H. salinarum
und ihre Funktionen (Jamila Guijarro S.12 (2006), „Untersuchung des
lichtgetriebenen Chloridtransports in Halorhodopsin aus Natronobakterium
pharaonis mit statistischer und zeitaufgelöster FTIR- Spektroskopie“). 32
Abbildung 19: Schematische Beschreibung der Signaltransduktion und der
bioenergetischen System und daran beteiligten Ionenbewegung (Martina Ufer,
1994 "Untersuchung über die Aktivität der Nitratreduktase in dem
Archaeabakterium Haloferax volcanii") 33
Abbildung 20: Strukturen von den wichtigsten Bacterioruberinen und
Carotinoiden (Susanne Bickel-Sandkötter, Martina Ufer, Kerstin Steinert,
Michaela Dana: “Leben im Salz- Halophile Archaea“). 35
Abbildung 21: Die verschiedenen Farbwechsel von BR-Druckfarben: Auf der
linken Seite die unbelichtet Farbe von BR und rechst der Farbwechsel nach
Lichtinduzierung (Prof. Dr. Norbert Hampp: „Biologische Sicherheitspigmente
und optischer Datenspeicher“ Philipps Universität Marburg) 37
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Abbildung 22: Schematische Darstellung des Bakteriorhodopsins mit den
sieben Alpha-Helices und den C und N terminalen Sequenzen, die außerhalb
der Membran liegen
(http://www.techportal.de/uploads/publications/504/InfoPhysTech40.pdf) 38

Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Vergleich der drei Domänen des Lebens (Neil A. Campbell
S.639 6. Auflage 2003) .....................................................................................13
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Abkürzungsverzeichnis
AS= Aminosäure
Asp= Aspartat
BR= Bakteriorhodopsin
DMS= Dimethlysulfid
DMSO= Dimethylsulfoxid
e.g= for example
Glu= Glutamat
HCl= Salzsäure
HR= Halorhodopsin
H4= Halocin
kDa= Kilodalton
NaCl= Natriumchlorid
PMK= Protonenmotorische Kraft
PMF= proton motive force= Protonengradient
PZ= Photozyklus
SB= Schiff`sche Base
SR I /II= Sensorische Rhodopsine
TMAO= Trimethylamin N-Oxid
TMA= Trimethylamin
ZKS= Zwei-Komponenten-System
z.B.= Zum Beispiel
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1 Einleitung

Als das Leben vor mehr als vier Mrd. Jahren begann, bestand es zunächst aus
einfachen organisierten Zellen. Es dauerte dann noch 2,5 Mrd. Jahre, bis Organismen
entstanden, die einen Zellkern besaßen und noch weitere 600 Mio. Jahre, bis
mehrzellige Lebewesen zunehmend auftraten.
Die heute auf der Erde lebenden Spezies werden in drei Domänen unterteilt: Bakterien,
Archaeen und Eukaryoten. Bei den Eukaryoten kommen sowohl mit dem Auge
sichtbare (makroskopische) Tiere und Pflanzen vor, so wie auch winzige Einzeller, die
mit dem Auge nicht sichtbar sind. Die Archaea und auch die Bakterien lassen sich
hingegen nur unter dem Mikroskop beobachten. Abgesehen von einigen filamentösen
Spezies wie Streptomyceten und Cyanobakterien, welche eine primitive Form der
Differenzierung zeigen, sind alle Archaeen und Bakterien Einzeller. Es wird geschätzt,
dass nur eine geringe Anzahl (ca. 1%) der bakteriellen und archealen Vertreter
bekannt sind und bis jetzt ist es auch nur gelungen ca. 5000 Arten zu kultivieren.
Anhand von rRNA Sequenzen wurde ein phylogenetischer Stammbaum (Abb.1)
erstellt. In diesem Baum wird der Verwandtschaftsgrad der archealen ribosomalen
RNA zu der eukaryotischen rRNA aufgeführt.

Abb.1 : Phylogenetischer Stammbaum nach Woese 1990. Der anhand von rRNA
Sequenzen erstellte Stammbaum zeigt die Verwandtschaftsgrade der drei Domänen
des Lebens Bakterien, Archaea und Eukaryoten zueinander
Heute ist bekannt, dass die Archaea Homologien zu den Eukaryoten aufweisen. Die
Promotorstruktur, der Transkriptionsapparat und Teile der Proteinbiosynthese ähneln
sich stark. Die Ähnlichkeit zu den Bakterien beruht auf der Morphologie: kernlos und
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einzellig. In ihrer Größe unterscheiden sie sich allerdings. Die Archaea sind kleiner als
die Bakterien.
Die Halobakterien erreichen in ihren Lebensräumen eine hohe Populationsdichte, da
sie kaum Konkurrenten besitzen. Aus Versuchen unter natürlichen Bedingungen sind
Verdoppelungen der Population zwischen 3 und 23 Tagen gemessen worden. Sie
vermehren sich durch Zweiteilung und bilden keine Dauerstadien oder Sporen aus.
Unter Laborbedingungen ist es möglich, eine Populationsverdopplung in wenigen
Stunden zu erhalten.
Die Halobakterien produzieren Peptid-Antibiotika, die Halocine, die das Wachstum
anderer extrem halophiler Archaea inhibieren. Es gibt insgesamt 15 verschiedene
Halocingruppen. Halocin H4 ist das bis jetzt am weitesten erforschte und bekannteste
Peptid- Antibiotika. Es wird von Haloferax mediterranei produziert, es ist thermolabil
und salzabhänging. Die Membran der Zielzelle wird durch das Halocin H4 verändert,
was zur Folge eine Permeabilitätsänderung hat und schließlich dazu führt, dass sich
die Zellen auflösen. Alle unsere Ergebnisse der Halocine stammen aus Versuchen aus
dem Labor (Susanne Bickel-Sandkötter, Martina Ufer, Kerstin Steinert und Michaela
Dane (1994) „ Leben Im Salz- Halophile Archaea“)
Eine biochemische Besonderheit der Archaea ist, dass sie keine Fettsäuresynthese
haben, aber sie bilden Lipide, in denen isoprenoide Seitenketten als Ether mit dem
Glycerinteil verknüpft sind. Dieses Merkmal ist nur auf die Archaea bezogen. Ihre
Plasmamembran besteht bei allen bisher bekannten aus Di- und Tetraetherlipiden und
nicht aus Esterlipiden. Ihre Membran wird unter anderem ausgezeichnet durch einen
großen Anteil an sauren Aminosäuren (Aspartat und Glutamat). Sie enthalten einen
geringen Anteil an hydophoben Aminosäuren, auf Grund des hohen Ionenanteils im
Cytoplasma. Die Membran wird stabilisiert durch Natrium-Ionen. Die eingelagerten
Lycopene (C-40 Carotinoide) und Bakterioruberine (C-50 Carotinoide) verleihen der
Membran eine charakteristische Rotfärbung und schützen die Halobakterien vor UV-
Schäden. Alle Archaea sind gramnegativ (komplexe Struktur der Membran).
Charakterisiert werden die halophilen Archaea als unbeweglich oder beweglich durch
Geißelbüschel. Die Wenigen von ihnen die auch beweglich sind, besitzen einen
Flagellenmotor, der durch die photosensorischen Pigmente (SRI und SRII) gesteuert
wird.
Erwähnt werden sollte auch, dass die Halobakterien kleine Gasvesikel besitzen. Die
Vesikel sind wasserundurchlässig, mit Gas gefüllte intrazelluläre Hohlkörper, die aus
Proteinen aufgebaut sind. Durch starke lichtbrechende Eigenschaften, sind die Vesikle
unter dem Phasenkontrastmikroskop gut sichtbar. Die Gasvesikel verschaffen den
Zellen Auftrieb, um in Wasserschichten mit höheren Sauerstoffkonzentrationen zu
kommen (Walsby 1994). Ihre lichtbrechenden Eigenschaften könnten jedoch auch als
Schutz vor photooxidativen Schäden dienen. Zu den Spezialisten der Gasvesikel-
bildung gehören Halobakterium salinarum, Haloferax mediterranei und Halorubrum
vacuolata, aber auch andere halophile Archaea und auch Bakterien sind in der Lage
Gasvesikel zu bilden.