Der winzige Stein der Weisen

17.10.2019 von Tom Leonhardt in Im Fokus, Wissenschaft, Forschung
Das Bakterium C. metallidurans ist vor allem für seine Hartnäckigkeit bekannt: Es gedeiht in Gegenden, die mit Schwermetallen verseucht sind. In Halle interessiert sich die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dietrich H. Nies auch aus einem anderen Grund dafür: Es bildet mikroskopisch kleine Goldnuggets.
Dietrich H. Nies – hier im Labor mit Lucy Bütof – forscht seit Jahren zu dem goldbildenden Bakterium.
Dietrich H. Nies – hier im Labor mit Lucy Bütof – forscht seit Jahren zu dem goldbildenden Bakterium. (Foto: Maike Glöckner)

Als Dietrich Nies 1982 nach seinem Studium mit der Arbeit für seine Promotion begann, ahnte er noch nicht, dass ein und derselbe Mikroorganismus ihn im Verlauf seiner kompletten wissenschaftlichen Karriere begleiten würde. Das Bakterium, das heute allgemein als Cupriavidus metallidurans bekannt ist, hieß damals noch ganz einfach „CH34“. Gefunden wurde es erstmals im Abwasser einer alten Zinkhütte in Belgien in den 1970er Jahren. „Eigentlich ist es ein ganz normales Wald- und Wiesenbakterium“, sagt Nies. Weder verursacht es Krankheiten noch ist es auf spezielle Lebensräume beschränkt. Überall auf der Welt habe man es schon gefunden, vor allem an Orten mit einer gewissen Schwermetallbelastung. „Nur auf den Kupferhalden hier in Sachsen-Anhalt nicht“, ergänzt Nies. Eventuell sei der Boden zu sauer.

Besonders machen das Bakterium seine Metallresistenz-Gene, mit deren Hilfe es auch in den eigentlich giftigen Umgebungen überleben kann. In seiner Promotion in Göttingen identifizierte und isolierte Nies diese Gene. Seine Arbeit führte ihn auch an die University of Illinois at Chicago in den USA und die Freie Universität Berlin. An Letzterer habilitierte er sich über die Metallresistenzen in C. metallidurans. Im Oktober 1993 wurde er als Professor für Molekulare Mikrobiologie an die MLU berufen. Die Forschung zu dem mikroskopisch kleinen Überlebenskünstler brachte er nach Halle mit. Mit Gold hatte das noch wenig zu tun.

Und das wäre wohl auch so geblieben, wenn nicht Frank Reith gewesen wäre, ein in Australien lebender deutscher Mikrobiologe. Reith forscht in dem goldreichen Land nach alternativen Verfahren, um neue Goldvorkommen zu finden. 2006 sorgte er für Aufsehen, als er erstmals nachweisen konnte, dass ein Bakterium immer im Biofilm auf Gold vorkommt: C. metallidurans. Das wollte Reith genauer verstehen und nahm Kontakt zu Nies auf. Aus ersten Gesprächen entstanden gemeinsame Projekte, „eine Reihe schöner Publikationen“ in hochrangigen Journalen sowie mehrere von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Projekte.

Die Frage, wie und warum das Bakterium aus den eigentlich giftigen Goldteilchen im Boden harmlose Nuggets produziert, sei für ihn zunächst ein „Nebenprojekt“ gewesen, erklärt Nies. Eins, das zu Beginn nicht nur von Erfolg gekrönt war: „2012 herrschte eine Phase der kompletten Verwirrung, was die Ergebnisse bedeuten“, sagt er und lacht. Seine parallel weiterlaufenden Arbeiten zu den anderen Metallresistenzen sollten in Kombination mit den geomikrobiologischen Arbeiten Reiths letztlich dabei helfen, den Goldstoffwechsel zu entschlüsseln.

Um diesen zu verstehen, hilft ein Blick auf die Lebensräume des Bakteriums: Es lebt vor allem in Böden, die mit Schwermetallen angereichert sind. Im Laufe der Zeit verwittern einige Mineralien im Boden und geben dabei giftige Schwermetalle sowie Wasserstoff an ihre Umgebung ab. Durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff wird Energie freigesetzt, die C. metallidurans nutzen kann. Gleichzeitig muss es aus den Schwermetallen wichtige Spurenelemente wie Kupfer beziehen, ohne sich dabei zu vergiften.

Damit sein Schwermetall-Haushalt auf einem günstigen Niveau bleibt, nutzt das Bakterium verschiedene Enzyme: Zunächst wird das Kupfer in eine für das Bakterium leichter aufnehmbare Form umgewandelt und aufgenommen. Normalerweise pumpt das Enzym CupA dann überschüssiges Kupfer wieder nach außen. Gold gelangt aber auf demselben Weg wie Kupfer in das Innere der Bakterien – und das ist ein Problem: „Wenn im Inneren der Bakterie Gold-Verbindungen vorhanden sind, blockiert das die Funktion von CupA. So bleiben die Kupfer- und Gold-Verbindungen im Zellinneren und vergiften den Organismus“, erklärt Nies.

Um dieses Problem zu lösen, aktiviert C. metallidurans ein weiteres Enzym: CopA. Es kann die Kupfer- und Gold-Verbindungen wieder in die schwerer aufnehmbaren Formen umwandeln. „So gelangen weniger Kupfer- und Goldverbindungen in das Innere der Zelle und die Kupfer-Pumpe CupA kann ungehindert überschüssiges Kupfer entsorgen“, fasst Nies zusammen. Das faszinierende Nebenprodukt: Die Gold-Verbindungen verwandeln sich im Außengebiet der Zelle in wenige nanometerkleine, harmlose Goldnuggets.

Die Ergebnisse dieser jahrelangen Arbeit publizierten die Wissenschaftler bereits vor einiger Zeit. Die Goldforschung bei C. metallidurans ist damit aber noch nicht beendet. In einem neu bewilligten DFG-Projekt geht es um eine weitere, ungeklärte Frage: Wie kommt das harmlose Gold wieder aus dem Bakterium heraus? „Wir wollen herausfinden, ob es einen Mechanismus für das aktive Ausscheiden gibt, wenn sich zu viele Goldkörnchen im Periplasma gebildet haben“, erklärt Nies. Ein kleiner Alchemist also, der zu viel Gold produziert und dieses aktiv ausscheiden muss? Die Forschung wird es zeigen.

Prof. Dr. Dietrich H. Nies
Institut für Biologie / Molekulare Mikrobiologie
Tel. + 49 345 55-26352
Mail: dietrich.nies@mikrobiologie.uni-halle.de

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