Mit dem bloßen Auge sichtbar: Die größte Bakterienart der Welt

Die dünnen Fäden, die im trüben Wasser schweben, sind im Schnitt 9,7 Millimeter, teilweise sogar bis zu 20 Millimeter lang und erinnern in Farbe und Form an dünne Fadennudeln. Als Olivier Gros, Meeresbiologe an der Université des Antilles in Guadeloupe, im Jahr 2009 zum ersten Mal auf diese eigenartigen Lebensformen stieß, wusste er zunächst nicht, was er vor sich hatte. Doch nach Jahren intensiver Forschungsarbeit besteht nun endlich Klarheit: Bei den Fäden – auch Filamente genannt –, die an Blattresten in den Sedimenten von Mangrovenwäldern in Guadeloupe haften, handelt es sich um die größten bisher bekannten Bakterien der Welt.

„Sie sind 5.000-mal größer als die meisten Bakterien. Das entspricht im Vergleich einem Menschen, der so groß ist wie der Mount Everest“, erklärt Jean-Marie Volland, Meeresbiologe am Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien, der die Forschungsarbeit von Olivier Gros weitergeführt hat. Gemeinsam mit Wissenschaftlern verschiedener Forschungseinrichtungen ist es ihm nun gelungen, Form, Lebenszyklus und vor allem das Genom des schwefeloxidierenden Riesen-Bakteriums zu beschreiben. Die Studie ist in der Zeitschrift Science erschienen.

Ungewöhnlich groß und erstaunlich komplex

Aufgrund ihres einfachen Aufbaus ging man bisher davon aus, dass Bakterien in ihrer Größe auf eine maximale Obergrenze beschränkt sind. Sowohl die Ausmaße des untersuchten Bakteriums als auch sein Zellplasmavolumen überstiegen diese jedoch so deutlich, dass man zunächst annahm, es handele sich dabei um ein mehrzelliges Gebilde. Elektronenmikroskopische und fluoreszenzmikroskopische Untersuchungen sowie die Röntgen-Tomographie der Filamente zeigten jedoch, dass es sich zur großen Überraschung der Forschenden um einzelne Bakterienzellen handelt.

Silvina Gonzalez-Rizzo, Molekularbiologin an der Université des Antilles und Mitautorin der Studie, gibt zu, dass auch sie die Fäden aufgrund ihrer Größe auf den ersten Blick nicht als Bakterien erkannt hätte – hätte sie es nicht besser gewusst. Ihre Aufgabe war es, das Bakterium zu identifizieren und zu klassifizieren. Dazu führte sie eine Sequenzierung des 16s rRNA-Gens durch und gab dem Bakterium – nachdem sie festgestellt hatte, dass es zur Gattung der Schwefelbakterien Thiomargarita gehörte – seinen vorläufigen Namen: Candidatus Thiomargarita magnifica. „Magnifica, weil magnus im Lateinischen groß bedeutet, ich das französische Wort magnifique aber schöner finde“, sagt sie.

Die Größe von Bakterien bewegt sich normalerweise im Mikrometerbereich – sichtbar sind sie deswegen nur unter dem Mikroskop. Sie zählen – gemeinsam mit den Archaeen – zu den Prokaryoten, die im Gegensatz zu Eukaryoten – der anderen Domäne im System der Lebewesen – keinen Zellkern haben. Eukaryoten lagern in diesem, geschützt durch eine Doppelmembran, in den Chromosomen das Erbgut. In Prokaryoten hingegen schwimmt die DNS frei im Cytoplasma. Volland zufolge ist die DNS in Thiomargarita magnifica aber im Vergleich zu anderen Bakterienarten viel besser organisiert. „Die große Überraschung des Projekts war die Erkenntnis, dass die Genomkopien in kleinen Membranbläschen sitzen“, erklärt Volland. „Das ist sehr unerwartet für ein Bakterium.“

Pepins – eine neue Form der DNS-Lagerung

Das Studienteam gab den ungewöhnlichen Membranbläschen den Namen „Pepins“ – so werden in der französischen Sprache die kleinen Samen genannt, die unter anderem in Kiwis sitzen. Die Pepins, in denen sich jeweils ein Stück DNS und einige Ribosomen befinden, verteilen sich in großer Zahl im Cytoplasma der Bakterienzelle. Diese Form der DNS-Aufbewahrung entspricht Volland zufolge eher der in Eukaryoten.

Auch das Genom von Thiomargarita magnifica ist anderen Bakterienarten überlegen. Es umfasst 11.788 proteinkodierende Gene und damit dreimal so viele wie die meisten anderer Bakterien. Zudem befinden sich in einer dieser Bakterienzellen mehr als 730.000 Erbgutkopien – dem Studienteam zufolge ist dies die höchste je in einer Zelle gefundene Zahl von Genomkopien.

Die Wissenschaftler hoffen nun, klären zu können, ob zwischen Pepins und der extremen Größe von Thiomargarita magnifica ein Zusammenhang besteht und ob die Membranbläschen auch bei anderen Bakterienarten zu finden sind. Außerdem wollen sie die Bildung von Pepins und den Ablauf molekularer Prozesse innerhalb und außerhalb dieser Strukturen genauer untersuchen.

Laut Shailesh Date, einem der Hauptautoren der Studie, zeigt das Projekt, wie komplex selbst die einfachsten Organismen sind – eine Erkenntnis, die ihm zufolge in der Forschung unbedingt stärker berücksichtigt werden sollte. „Die biologische Komplexität muss viel detaillierter untersucht werden, als es derzeit der Fall ist“, sagt er. „Organismen, die wir für sehr einfach halten, könnten einige Überraschungen zu bieten haben.“