Eine Gletschermikrobe mag es eiskalt

Zürcher Forscher haben eine neue Bakterienart entdeckt, die selbst bei Minustemperaturen wächst.

Die neue Bakterienart wurde im Gletschervorfeld des Dammagletschers gefunden. Foto: Beat Stierli, WSL Birmensdorf

Die neue Bakterienart wurde im Gletschervorfeld des Dammagletschers gefunden. Foto: Beat Stierli, WSL Birmensdorf

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Bei Göschenen geht es in einem Seitental der Reuss bergaufwärts in Richtung Westen, gut 20 Minuten mit dem Auto. Von der Göscheneralp ist es ein kurzer Fussmarsch entlang des gestauten Göscheneralpsees, hoch bis zum Damma­gletscher. Hier, im Gletschervorfeld, wo in den letzten beiden Jahren das Eis abgeschmolzen ist, lebt eine bis vor kurzem unbekannte Bakterienart: Glaciimonas alpina.

Die Mikrobe mag es frostig, manche Stämme wachsen sogar bei minus 5 Grad Celsius. «Es ist das erste Gletscherbakterium, das wir in der Schweiz isolieren konnten», sagt Beat Frey von der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL). Er hat G. alpina zusammen mit anderen Forschern isoliert. Auch wenn das Bakterium im eisfreien Gletschervorfeld gefunden wurde, vermutet Frey aufgrund anderer Untersuchungen, dass es auch im Eis selber lebt.

Mikroben, die sich wie G. alpina bei tiefen Temperaturen wohlfühlen, werden als psychrophil bezeichnet. Sie verfügen über besondere Anpassungen, welche die Organismen für Forscher und auch die Industrie interessant machen. Ihre Zellflüssigkeit enthält besondere Frostschutzmoleküle, um ein Gefrieren zu verhindern. Die Zellmembranen müssen zudem so beschaffen sein, dass sie bei Kälte genügend durchlässig sind und nicht erstarren. Dies ermöglichen kurzkettige, mehrfach ungesättigte Fettsäuren.

Diejenigen kälteliebenden Bakterien, die wie G. alpina bei Temperaturen um null Grad nicht nur überleben, sondern sogar wachsen, brauchen zudem spezielle Enzyme, die bei Kälte funktionieren. Als Nahrung reichen oft kleinste Mengen von organischem Material, etwa von abgestorbenen Flechten oder eingetragen durch Niederschläge. Manche Psychrophile betreiben Fotosynthese oder können durch andere chemische Oxidationsprozesse Energie gewinnen.

Spektakuläre Funde

Neuentdeckungen wie G. alpina sind zwar besonders, jedoch keine Seltenheit. «Kälteliebende Bakterien werden seit gut 20 Jahren intensiv erforscht», sagt Frey. Die Rekordhalter unter den psychrophilen Bakterien stammen dabei nicht aus Alpengletschern. Chryseobacterium greenlandensis wurde zum Beispiel unter dem Grönlandeis in einer Tiefe von rund 3000 Metern entdeckt. Es hatte dort über 120'000 Jahre bei tiefen Temperaturen, hohem Druck und niedrigem Sauerstoff- und Nährstoffgehalt überdauert.

Spektakulär sind die Eisbakterien der Gattung Colwellia, die unter anderem bei Bohrungen unter dem Antarktiseis gefunden wurden. Forscher wollen festgestellt haben, dass die Organismen sogar bei Temperaturen von minus 200 Grad Celsius noch schwache Lebenszeichen von sich geben. Sie spekulieren, dass diese Eigenschaft die Existenz von Leben auf eishaltigen Himmelskörpern wahrscheinlicher erscheinen lassen als bislang gedacht.

Doch auch wenn psychrophile Mikroben bei eisigen Temperaturen einen funktionierenden Stoffwechsel haben: Sie wachsen – wenn überhaupt – langsam. So auch G. alpina. «Es dauerte fast drei Monate, bis wir in unseren Bakterienkulturen ein Wachstum feststellen konnten», sagt Frey. «Das braucht viel Zeit, was im Labor heute in der Regel fehlt.» Heute wolle man Resultate bereits nach ein, zwei Tagen.

Brauchbar fürs Waschen?

Doch auch bei «einfacheren» Mikroorganismen ist eine Isolation die Ausnahme. «Es handelt sich um eine klassische Methode, die langwierig und aufwendig ist», so Frey. Heute suchen Forscher meist mit Genanalysen in Proben nach Bakterienstämmen.

Hinzu kommt, dass viele Bakterien gar nicht isoliert werden können. «Nur schätzungsweise ein Prozent aller Mikroorganismen ist überhaupt kultivierbar», sagt Martin Sievers von der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW). Doch alleine mit Genanalysen lassen sich neue Bakterienstämme nicht erforschen. «Nur isolierte Mikroorganismen können charakterisiert und auf ihre Eigenschaften untersucht werden», sagt Sievers. Der Biologe leitet die Fachstelle Mikrobiologie und Molekularbiologie am Institut für Chemie und Biochemie der ZHAW sowie die Culture Collection of Switzerland (CCOS) in Wädenswil, die nationale Sammlung von Mikroorganismen. Die 2010 gestartete und vom Bund unterstützte Biobank ist noch im Aufbau. Sie verfügt über 1000 gut charakterisierte Stämme, die schockgefroren und tiefgekühlt in Stickstoff gelagert werden. Die meisten stammen aus Umweltproben oder aus Spitälern.

Die Mikroben können eine Fundgrube von Enzymen und Stoffwechselprodukten unter anderem für die Lebensmittel- und die Pharmaindustrie sein. «Mit der Beschreibung neuer Bakterienarten eröffnen sich auch neue Möglichkeiten in der Anwendung ihrer Enzyme und der Entdeckung zum Beispiel eines neuen Antibiotikums», sagt Sievers. Bei Gletscherbakterien wäre beispielsweise denkbar, dass an tiefe Temperaturen angepasste eiweiss- und fettspaltende Enzyme fürs Waschen mit kaltem Wasser einsetzbar sind. Sievers ist überzeugt: «Viele der bei uns eingelagerten Stämme haben ein interessantes Potenzial für Anwendungen.»

(Tages-Anzeiger)

Erstellt: 20.03.2016, 17:54 Uhr

Eine Schatzkammer auf dem Engadiner Schafberg

In gefrorenem Boden lebt eine erstaunliche Vielfalt an Mikroorganismen.

Die Flanken des Schafbergs bei Pontresina sind ein beliebtes Ziel von Permafrostforschern. Das Institut für Schnee- und Lawinenforschung (SLF) in Davos der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) studiert seit bald 20 Jahren die gefrorenen Böden auf knapp 3000 Metern über Meer. Der Boden auf der Nordwestseite des Berges taut und gefriert saisonal bis in eine Tiefe von 1 Meter. Unter dieser aktiven Schicht, so zeigen Messungen in einem Bohrloch seit 1996, ist der Boden permanent gefroren. Der Permafrost reicht mindestens bis in eine Tiefe von 17,5 Metern. SLF-Forscher gehen davon aus, dass dieser Boden seit der letzten Eiszeit nicht mehr aufgetaut ist. Kaum vorstellbar, dass unter diesen extremen Bedingungen Leben möglich ist. So wurden Wissenschaftler der WSL in Birmensdorf überrascht. «Sehr sogar», sagt Mikrobiologe Beat Frey. Die WSL-Forscher fanden mithilfe von genetischen Untersuchungen die höchste Vielfalt an Mikroorganismen im Permafrost, nicht im aktiven Oberboden, in dem die Mikroorganismen während der Tauprozesse Sauerstoff und Nährstoffe erhalten.

Vor allem Bakterien sowie Hefe- und Flechtenpilze sind im Permafrost reichlich vorhanden. «Wir fanden viele ungewöhnliche Bakterien, die in der Arktis oder in Sibirien auch entdeckt wurden, über die wir aber nur sehr wenig wissen», sagt Frey. So kennen die Wissenschaftler vorläufig nur den genetischen Verwandtschaftsgrad der Organismen, jedoch nicht deren Stoffwechseleigenschaften und Funktionen. Künftig wollen sie deshalb verschiedene entdeckte Bakterien kultivieren, was allerdings aufwendig ist und Monate dauern kann. «Wir kennen die speziellen Wachstumsbedürfnisse der Bakterien nicht», sagt Frey. Die Mikrobiologie im hochalpinen Permafrost ist praktisch Neuland. Schlummern die Bakterien im gefrorenen Boden, oder sind sie aktiv? Von Hefepilzen ist bekannt, dass sie bei minus 7 Grad und ohne Licht den Stoffwechsel aufrechterhalten können. Für WSL-Forscher Martin Hartmann, Mitautor der Studie, ist der Permafrost des Schafbergs jedenfalls eine Schatzkammer, deren Wert jedoch noch nicht bekannt ist. Unter den Bakterien könnten Organismen sein, die beispielsweise nützliche Enzyme für die Lebensmitteltechnologie liefern. Möglich ist aber auch, dass für den Menschen gefährliche Mikroben darunter sind. Theoretisch können die Permafrost-Organismen mit dem Schmelzwasser auch ins Trinkwasser gelangen, sollten die gefrorenen Böden durch den Klimawandel auftauen. In den nächsten Jahren sollen nun weitere Studien im Alpenraum folgen. In einem EU-Forschungsprogramm, das im April startet, wird der Fund in den Alpen mit Entdeckungen in arktischen Gebieten wie Grönland verglichen. Martin Läubli

(Tages-Anzeiger)

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