Arsen-Bakterium NASA entdeckt Bakterium, das Arsen anstelle von Phosphor verstoffwechseln kann

Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel und Phosphor – das sind die sechs chemischen Elemente, aus denen organisches Leben auf unserer Erde aufgebaut ist. In einem kalifornischen Salzsee entdeckten Forscher der NASA jetzt ein Bakterium, das mit einem siebten Element umgehen kann: dem giftigen Halbmetall Arsen. Das neu entdeckte Bakterium ist dabei nicht nur in der Lage Arsen zu tolerieren, sondern baut dieses sogar in seine DNA und andere Makromoleküle ein.

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Menlo Park, CA/USA – Entdeckt haben die Forscher das so genannte Gammaproteobakterium aus der Familie der Halomonadaceae in Sedimenten des Mono Lake, einem alkalischen Salzsee in der kalifornischen Sierra Nevada. Der Salzsee weist natürlicherweise hohe Arsenkonzentrationen auf. Das neu entdeckte Bakterium mit der Bezeichnung „GFAJ-1“ ist in der Lage, Arsen anstelle von Phosphor in seine Zellstruktur, d.h. in Proteine, Lipide und sogar in die Erbsubstanz DNA einzubauen. Damit unterscheidet sich das Bakterium von allen anderen bisher bekannten Lebewesen. Dass sich die Grundsubstanzen irdischen Lebens ersetzen lassen, war bislang nur eine Theorie einiger Wissenschaftler. Mit dem jetzt entdeckten Mikroorganismus meinen die NASA-Forscher um Studienleiterin Felisa Wolfe-Simon vom Astrobiologie-Institut der NASA diese Theorie bestätigt und damit zudem ein biologisches Dogma aufgehoben zu haben.

Baketrium nutzt Phosphor und Arsen gleichermaßen

Phosphorverbindungen sind unverzichtbarer Bestandteil des Lebens auf der Erde. Sie sind essenzielle Struktur im Rückgrat der DNA, in energiespeichernden Molekülen wie ATP (Adenosin-Triphosphat), in Zellmembranen und Enzymen. Die im Periodensystem benachbarten Elemente Phosphor und Arsen sind sich chemisch sehr ähnlich. Genau diese Ähnlichkeit, macht Arsen jedoch für die meisten Lebewesen so gefährlich: lösliche Arsenverbindungen sind hoch toxisch, da sie biochemische Prozesse wie die DNA-Reparatur oder den zellulären Energiestoffwechsel stören.

Es sind zwar schon Bakterien bekannt, die Arsen tolerieren können, ein Einbau in DNA und andere Makromoleküle und die Nutzung der Verbindung für Stoffwechsel und Wachstum war jedoch bislang nicht bekannt. Im Rahmen ihrer Arbeiten isolierten die NASA-Forscher den neuen Bakterienstamm und kultivierten ihn im Labor unter phosphorarmen, dafür aber arsenreichen Bedingungen. Entgegen erster Erwartungen stellten die Bakterien jedoch ihr Wachstum nicht ein sondern gediehen prächtig. Es zeigte sich, dass GFAJ-1 Phosophor und Arsen gleichermaßen nutzen konnte.

Entdeckung wirft weitere Fragen auf

Weitere Untersuchungen sollen nun die Ergebnisse der Studie bestätigen. Dabei gilt es insbesondere herauszufinden, wie genau die Mikroorganismen das Arsen verwerten. Der Mono Lake enthält natürlicherweise sowohl Phosphor als aus Arsen. Für weitere Studien suchen die Wissenschaftler daher auch nach einer Umgebung, die überwiegend Arsen enthält, um so möglicherweise ein Bakterium zu entdecken, das überhaupt keine Phosphorverbindungen mehr enthält und für das Phosphor eventuell sogar ein Gift darstellt. Für die Evolutionsforschung, Geochemie, Genetik und Biotechnologie könnten diese Untersuchungen wegweisende neue Erkenntnisse liefern.

Originalpublikation: Felisa Wolfe-Simon, Jodi Switzer Blum, Thomas R. Kulp, Gwyneth W. Gordon, Shelley E. Hoeft, Jennifer Pett-Ridge, John F. Stolz, Samuel M. Webb, Peter K. Weber, Paul C. W. Davies, Ariel D. Anbar and Ronald S. Oremland; A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus; Science DOI: 10.1126/science.1197258

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