Interesse?

An die Schüler der 11. und 12. Klassen in Dresden und Umgebung:

Wer von Euch möchte uns helfen, unsere Forschungsthemen in einer allgemeinverständlichen Sprache einem breiten Publikum im Internet im Rahmen eines Praktikums oder einer Ferienarbeit vorzustellen? Voraussetzungen sind:

  • Interesse an naturwissenschaftlichen Fragestellungen

  • Grundkenntnisse im Umgang mit PCs sowie der Erstellung von Internet-Seiten

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Winzlinge im Kampf gegen Uran

1. Bakterien - klein aber oho...

Bakterien sind Organismen ohne Zellkern und werden Prokaryonten genannt. Sie besitzen eine durchschnittliche Größe von 1- 10 µm (sprich: Mikrometer). Unter anderem gibt es sie stäbchenförmig, heißen dann einfach Stäbchen (1), kugelförmig, werden dann Kokken (2) genannt und gebogen, werden dann Vibrionen (3), Spirillen (4), oder Spirochaeten (5) genannt. So viele verschiedene Formen gibt es nicht, obwohl man glauben könnte, dass sie viel Zeit gehabt hätten auch andere, "spannendere" Formen anzunehmen. Sie gibt es nämlich schon über 3,5 Mrd. Jahre und damit sind sie die ältesten Lebewesen die es auf unserer Erde gibt. Neben den Bakterien gibt es auch noch die Archaeen, die sich als eigener Zweig in der Evolution entwickelt haben. Sie unterscheiden sich hauptsächlich durch den Aufbau ihrer Zellwand, die Struktur ihrer Ribosomen und die Organisation ihrer Gene von den Bakterien. Da die kleinen Lebewesen sich äußerst schnell vermehren und sehr anpassungsfähig sind, haben sie die Möglichkeit sich fast überall niederzulassen und sich auszubreiten, so z.B. auch auf uns Menschen. Denn auf uns befinden sich immerhin etwa 100 Trillionen Bakterien, davon sind allein schon etwa 100-1000 Stück pro cm2 auf der Hand. Das mag jetzt für den Einen oder Anderen eklig klingen, aber dazu muss man wissen, dass nur die wenigsten Bakterien Krankheitserreger sind, und die Mehrheit für den Menschen sehr wichtig ist. Zum Beispiel als Schutz vor Krankheitserregern, zur Verdauung der Nahrung, aber auch bei der Nahrungsmittelherstellung (z.B. Käse, Quark oder Essig), in der Medizin (z.B. zur Herstellung von Insulin oder Antibiotika) oder auch im Haushalt (z.B. zur Herstellung von Waschmitteln).Obwohl sie winzig klein sind, haben einige Bakterien unglaubliche Eigenschaften, unter anderem können sie extrem schnell schwimmen, sich sehr gut orientieren, bei extremen Bedingungen überleben oder sogar leuchten.

2. Was Bakterien noch so alles können...

Jetzt habt ihr mal einen kleinen Einblick bekommen, was Bakterien leisten können, doch wenn ihr denkt, das war es schon, liegt ihr falsch, denn sie können uns auch noch bei ganz anderen Problemen helfen: Die Anlagen des ehemaligen Uranbergbaus in Sachsen und Thüringen, wie beispielsweise sogenannte "Halden", gelten als großes Problem für die Umwelt, denn sowohl der Boden, als auch das Abwasser ist mit diversen radioaktiven oder giftigen Schwermetallen, besonders mit Uran belastet. Damit nicht auch noch das Grundwasser verschmutzt wird, arbeiten Ingenieure, Biologen, Chemiker und Physiker gemeinsam an Methoden, sowohl das Wasser, als auch den Boden zu reinigen. So ist vor allem die Wismut GmbH seit 1991 damit beschäftigt, die früheren Gebiete des Uranbergbaus zu säubern und wieder nutzbar zu machen. Aber auch in Gebieten ohne Uranbergbau kann es sein, dass Uran im Grundwasser ist, nämlich überall dort, wo es natürlich im Boden vorkommt, wie z.B. in Sachsen, Thüringen, Baden-Württemberg und Bayern. Deshalb suchen die Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf am Institut für Ressourcenökologie nach Bakterien, die uns bei der Reinigung helfen können. Dazu werden Bakterien aus belasteten Gebieten untersucht, weil diese besser mit Schwermetallen "umgehen" können. Da aber noch längst nicht alle Bakterien bekannt sind, müssen diese erst durch ihre DNA identifiziert werden, bevor die Forscher sie untersuchen, züchten und nutzen können.

3. Die Identifizierung von Bakterien

Die Identifizierung der Bakterien mit molekularbiologischen Methoden ist ein langer aufwendiger Prozess, bei dem die DNA der Bakterien die wichtigste Rolle spielt. Nachdem die Forscher Boden- oder Wasserproben einer Halde entnommen haben, wird die Gesamt-DNA (DNA aller dort vorkommenden Organismen) isoliert, indem man die Bakterien zerstört und die Bakterienreste und sonstigen Unreinheiten von der DNA entfernt, sodass dann nur noch ein Gemisch aus DNA vorliegt. Da die Forscher aber größere Mengen davon brauchen, sie aber nicht die gesamte lange DNA vervielfältigen und analysieren können, haben sich die Wissenschaftler weltweit auf die Untersuchung eines besonderen Abschnittes der DNA geeinigt, das so genannte 16S rRNA-Gen. Dieser Bereich enthält Teile des Bauplans für die Ribosomen. Die Vervielfältigung dieser Gene findet im PCR-Gerät statt. Dadurch erhält man aus der Gesamt-DNA ein Gemisch vieler 16S rRNA-Gene. Über einen Prozess, der von der Natur abgeschaut wurde und der Weitergabe von Genen dient, wird nun je ein 16S rRNA Abschnitt in den schon bestens untersuchten Escherichia coli eingeschleust. Bei manchen der Bakterien kann es aber passieren, dass sie das 16S rRNA-Gen nicht aufnehmen, und um das feststellen zu können, züchtet man diese Bakterien auf einer speziellen Agarplatte. Wenn sie sich blau färben, haben sie keine 16S rDNA und wenn sie sich weiß färben, haben sie dieses Gen in sich.


Die blaugefärbten Bakterien sind in diesem Schritt unwichtig, darum werden nur die weißen Kolonien einzeln bei 37°C bebrütet und einer erneuten PCR unterzogen, um diese Gene einzeln zu vervielfältigen. Danach wird das 16S rRNA-Gen mit verschiedenen Enzymen geschnitten, wonach man DNA-Fragmente erhält. Man trennt sie am besten mit der "Gelelektrophorese".

Außerdem werden Proben, die im Gel gleiche "Schnittmuster" (Fingerprints) zeigen, zu Gruppen zusammengefasst. Anschließend wird jeweils eine Probe (=je ein 16S rRNA-Gen) jeder Gruppe ausgewählt und mit Hilfe eines DNA-Sequenziergerätes sequenziert. Wenn man jetzt noch die DNA bekannter Bakterien und die DNA der Proben vergleicht, kann man mathematisch die Verwandtschaftsverhältnisse herausfinden. Graphisch werden diese Verwandtschaftsverhältnisse als Dendrogramm dargestellt.

Dendogramm
Dendrogramm von verschiedenen Bacillus- und Lysinibacillus-Arten sowie Isolaten (JG-A30, JG-A22, JG-A12).

Ein Schema des gesamten Ablaufs der molekularbiologischen Identifizierung von Bakterien aus Uranabfallhalden ist nachfolgend abgebildet.

Diversitätsuntersuchungen


4. Wie untersucht, züchtet und nutzt man die Bakterien?

Nachdem man jetzt die Bakterien kennt und so weiß, was sie zum Leben brauchen, kann man sie aus den Boden- oder Wasserproben isolieren. Da die Bakterien aber normal nicht als Reinkultur vorkommen, d.h. viele von nur einer Bakterienart, sondern nur als Gemisch auftreten, d.h. viele verschiedene Bakterienarten zusammen, muss man sie trennen. Die Forscher trennen sie dadurch, dass sie die Bakterien aus der Bodenprobe herauswaschen oder die Wasserprobe direkt verwenden. Dann werden die Proben stark verdünnt auf sogenannten Agarplatten verteilt, so dass die Bakterien einzeln auf der Platte liegen. Diese Platten beinhalten unterschiedliche Nährstoffe und werden unter ganz bestimmten Bedingungen bebrütet, so dass nur die Bakterien einer gewünschten Gruppe wachsen können. Durch das Bebrüten teilen sich die Bakterien und es entstehen Kolonien (viele Bakterien von einer Art). Jede Kolonie wird nun auf eine neue Platte übertragen und man erhält eine Reinkultur (siehe Abb.).

Vereinzelung von Bakterien


Jetzt kann man untersuchen, was die gefundenen Bakterien mit den giftigen oder radioaktiven Metallen genau machen. Dieser Schritt ist notwendig, da alle Bakterien unterschiedlich auf z.B. Uran reagieren. So verwandelt eine Gruppe, die zur Gattung Desulfovibrio gehört, gelöstes Uran(VI) durch Reduktion in festes Uran(IV). Andere Bakterien wiederum oxidieren Uran, nehmen Uran in die Zelle auf oder tragen zur Mineralbildung aus Uran bei. Es wurden auch Bakterien entdeckt, die Uran in großen Mengen binden (verschiedene Bacillus- und Lysinibacillus-Isolate, wie z.B. Lysinibacillus sphaericus JG-A12 - alter Name Bacillus sphaericus JG-A12). Nach genauer Untersuchung fanden die Forscher sogenannte S-Layer-Proteine, die dabei eine wichtige Rolle spielen. Durch diesen Befund inspiriert, wurden Arbeiten zur Herstellung von Filtermaterialien begonnen, mit denen es eines Tages möglich sein soll, einzelne Metalle aus Wasser entfernen zu können. Neben verschiedenen giftigen Schwer- und Halbmetallen, wie z.B. Uran und Arsen, binden diese S-Layer-Proteine auch einzelne Edelmetalle. So ist es denkbar, mit diesen Proteinen eine Art Baukastensystem zu entwickeln, das für viele verschiedene Metalle ein geeignetes Filtermaterial bereit stellt. Dazu sind aber noch viele Entwicklungsschritte nötig, so können nicht einfach die Proteine oder Zellen als Filter verwendet werden, weil das Wasser durch die dickflüssige Masse nicht hindurch fließen würde. Daher müssen die Bakterien oder Proteine in eine geeignete Form gebracht werden. Eine Möglichkeit ist die Einbettung der Biomasse in einer Keramik, ein Verfahren dazu wurde bereits mit Kollegen der Gesellschaft zur Förderung von Medizin-, Bio- und Umwelttechnologien e.V. (GMBU, Dresden) und dem Institut für Werkstoffwissenschaft der Technischen Universität Dresden entwickelt. In einem anderen Fall werden Biofilm-bildende Bakterien verwendet, das heißt, Bakterien die in der Lage sind, sich über eine Schleimschicht auf vielen verschiedenen Oberflächen selbstständig anzuheften. Ein weitere Möglichkeit ist die direkte Beschichtung von Partikeln mit den isolierten S-Layer-Proteinen. Eine Übersicht über die einzelnen Möglichkeiten ist in Abb. 7 dargestellt. Aktuell beschäftigen sich die Forscher mit der Untersuchungen der Stabilität der so hergestellten Biomassepartikel mit dem Ziel, die beste Methode herauszufinden.

Biomassepartikel


5. Bakterielle S-Layer als Ausgangspunkt für weitere technisch interessante Materialien

Damit nicht genug, die S-Layer-Proteine lassen sich noch zu ganz anderen Dingen nutzen. So arbeitet die Arbeitsgruppe Biotechnologie am Institut für Ressourcenökologie und am Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie nicht nur an der Entwicklung Metall-selektiver Filter sondern auch daran, mit diesen Proteinschichten katalytisch aktive Nanopartikel einer ganz bestimmten Größe zu erzeugen. Nanopartikel sind winzig kleine Partikel, die nicht einmal ein 1000stel des Durchmessers eines menschlichen Haares haben und dabei helfen, chemische Reaktionen zu beschleunigen. Sie sind z.B. im Katalysator eines Autos enthalten. Was diese winzig kleinen Partikel können, hängt vor allem davon ab, aus welchen chemischen Elementen sie bestehen. Beispielsweise werden Platin (Pt) und Palladium (Pd) in Autokatalysatoren eingesetzt, um verschiedene Schadstoffe wie z.B. Kohlenmonoxid in Kohlendioxid umzuwandeln. Nimmt man andere Elemente, wie z.B. Zink (Zn) oder Titan (Ti), so können damit ZnO- oder TiO2-Partikel hergestellt werden. Derartige Partikel wiederum haben die Eigenschaft, bei Bestrahlung mit Licht geeigneter Wellenlänge und in Wasser die Bildung von sehr reaktiven Molekülen zu bewirken, sogenannten Radikalen. Diese Radikale eignen sich zum Abbau von organischen Verunreinigungen wie Arzneimittelrückstände in Wasser. Es gibt nämlich Arzneimittel, die durch den täglichen Gebrauch in das Abwasser gelangen und mit bisherigen Methoden nicht wieder entfernt werden können. Über den Wasserkreislauf können solche Substanzen letztendlich sogar in unser Trinkwasser gelangen. In beiden Fällen wird mit Hilfe der S-Layer-Proteine versucht, diese Partikel noch leistungsfähiger zu machen, um in naher Zukunft bereits vorhandene Materialien noch zu verbessern und neue Materialien zu entwickeln.

Ein letztes Anwendungsfeld an dem aktuell mit S-Layern gearbeitet wird, ist die Entwicklung eines Sensors für organische Moleküle, wie z.B. Arzneimittel. Dabei werden die S-Layer-Schichten als Unterlage zur Bindung von Fluoreszenzfarbstoffen und von spezifischen Bindemolekülen genutzt. Die S-Layer erlauben aufgrund der chemischen Gruppen auf ihrer Oberfläche die abwechselnde Anordnung der Farbstoffe und der Bindemoleküle auf einer großen Fläche in in sehr regelmäßiger Art und Weise. Werden nun Zielmoleküle gebunden, so verändert sich die Farbe des Lichts, das von so einer Schicht ausgestrahlt wird. Diese Veränderung kann registriert und ausgewertet werden und so letztendlich die Menge der Substanz in der Probenflüssigkeit bestimmt werden.