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Mikroorganismen

Praxistaugliche Grundlagenforschung

Das Leibniz-Institut DSMZ – Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen in Braunschweig, liefert Wissenschaftlern in aller Welt Grundlagen und Material. Derzeit umfasst die Sammlung rund 69.000 Kulturen. In diesem Jahr feiert das Institut seinen 50. Geburtstag.
Maria Pues
17.04.2019
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»Und wozu ist das jetzt gut?« Wenn es um Grundlagenforschung geht, lässt sich diese Frage mitunter erst mit großer zeitlicher Verzögerung oder hohem Aufwand an Erklärungen beantworten. Im Leibniz-Institut DSMZ – Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen in Braunschweig, ist das anders. Dort sammeln und erforschen die Mitarbeiter Bakterien, Viren und Pilze sowie Zelllinien unter anderem von Krebszellen, um sie Wissenschaftlern fast in der ganzen Welt zur Verfügung zu stellen.

Rund 69.000 Kulturen umfasst die Sammlung derzeit, darunter mehr als 38.000 verschiedene Bakterien- und Pilzstämme, 800 menschliche und tierische Zelllinien, 41 Pflanzenzelllinien und 13.000 verschiedene Typen genomischer Bakterien-DNA. Forschungsinstitute, vor allem von Universitäten, aber auch (Pharma-)Firmen können nicht nur auf das Wissen, sondern auch auf die Mikroben und Zelllinien selbst zurückgreifen, denn das DSMZ vertreibt diese über einen eigenen Online-Shop. Rund 43.000 Päckchen wurden im vergangenen Jahr gepackt.

Klingt viel, ist aber gemessen an der Zahl der Arten sehr, sehr wenig. Wie viele Prokaryonten-Arten es gibt, können Wissenschaftler nur schätzen. Die Zahl liegt bei 106 bis 109. »Das Ziel der Sammlung ist jedoch nicht die Charakterisierung aller Arten, sondern wichtige Akteure zu kennen«, erläutert Professor Dr. Jörg Overmann, Wissenschaftlicher Direktor des Instituts. Dabei geht es um »die Guten« unter den Mikroben. Overmann weiter: »Das Bild in der Öffentlichkeit ›Bakterien sind böse‹ ist falsch.« Denn nur die wenigsten Bakterienarten verursachten beim Menschen Krankheiten. Nicht-pathogene Bakterienarten und deren Eigenschaften – zum Beispiel Ölteppiche oder Plastik zu verdauen –, die Erforschung von Erkrankungen bei Pflanzen sowie Zelllinien zur Erforschung von Erkrankungen und Therapien – sind drei der Forschungsgebiete des Instituts. Das breite Spektrum birgt aber auch eine Herausforderung: Da sich die Stoffwechseleigenschaften von Mikroben so stark unterscheiden können, müssen häufig zunächst neue Methoden und Nährlösungen zu deren Kultivierung entwickelt werden.

Interaktion statt Superhelden

An Forschungsmaterial mangelt es nicht. So findet man beispielsweise in 1 Gramm Erdboden mehr als 109 Mikroorganismen aus 4000 bis 20.000 verschiedenen Arten. In derselben Menge Darminhalt sind es noch mehr, nämlich 1011 Mikroorganismen. Doch die Zahl der Arten ist dort geringer, »nur« 600 bis 2000 unterschiedliche Arten leben dort zusammen. Äußerlich unterscheiden sich Bakterien kaum voneinander. Kokken, Stäbchen, Vibrios, das seien die Hauptgruppen, erläutert Professor Dr. Michael Pester. Ihre Besonderheiten im Stoffwechsel seien jedoch umso ausgeprägter. Viele Bakterien besitzen bestaunenswerte Fähigkeiten. In seinem Forschungsbereich geht es jedoch vor allem um etwas anderes. »Es geht nicht um ›den Superhelden‹ unter den Bakterien, es kommt auf die Interaktion an«, betont er, »zum Beispiel auf ihre Funktionen innerhalb eines Ökosystems, etwa dem versteckten Schwefelkreislauf in Mooren, Seen und Reisfeldern.« Der praktische Nutzen? Das Stichwort lautet hier »Ecosystem services«, ein noch vergleichsweise junger Begriff. Er bezeichnet Vorteile, die wir aus einem Ökosystem ziehen können, etwa beim Stickstoff-Stoffwechsel von Bakterien im Trinkwasser, die den Nitrit-Gehalt beeinflussen.

Müllwerker bei der Arbeit

Der praktische Nutzen für Mensch und Umwelt von Bakterien, die Plastik »fressen« können, ist offensichtlich. Doch auch die Bakterien haben etwas davon. Sich Ressourcen – in diesem Fall Nährstoffquellen – erschließen zu können, auf die andere keinen Zugriff haben, stelle für die Bakterien einen Selektionsvorteil dar. »Mikroben haben sich mit der Zeit angepasst, menschlichen Müll aufzuräumen«, sagte Dr. Basak Öztürk. Doch lösen sie auch das Problem mit dem Plastikmüll? »Rund 10 Prozent von allem, was wir wegwerfen, ist Plastik«, so die Wissenschaftlerin weiter. »Pro Sekunde wandern 60 Kaffeebecher in den Müll.« Durch ihre Beschichtung seien sie reiner Müll, denn sie ließen sich weder als Altpapier noch als Plastik recyceln. Doch auch Plastik ist nicht gleich Plastik. So setzen Hersteller verstärkt auf auf »biobased«: Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, zum Beispiel Salatschalen aus Celluloseacetat oder Füllmaterial für Warensendungen aus Maisstärke. »Biobased« bedeutet jedoch nicht automatisch »biodegradable«, sie sind also nicht zwangsläufig biologisch abbaubar. Biologisch abbaubare Kunststoffe können sowohl aus fossilen als auch aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen. Sie werden eingesetzt, wenn vom Produkt keine lange Lebensdauer gefordert wird: zum Beispiel bei Mulchfolie oder Anzuchttöpfchen, die mit der Jungpflanze in den Boden gesetzt werden können. Sie werden dann mit der Zeit von den Bodenbakterien zersetzt.

Für das maritime Müllproblem stellen bioabbaubare Kunststoffe laut Öztürk derzeit keine Lösung dar. So sei noch nicht bekannt, wie die Kunststoffe sich unter den verschiedenen Bedingungen verhalten. Verfahren zur Bestimmung der Bioabbaubarkeit zu entwickeln, sei schwierig. »Das Meer ist kein Swimming-Pool«, fasst Öztürk zusammen. Ihr Fazit ist eindeutig: »Besser wäre es, wenn Plastik gar nicht erst im Meer landete.«

Plötzlich teures Olivenöl

Erkrankungen von Pflanzen bilden ein weiteres Forschungsgebiet des DSMZ. Werden sie von Viren oder Bakterien ausgelöst, besteht das Risiko einer weiten Verbreitung. Erkrankte Pflanzen zu untersuchen, die Verursacher zu identifizieren und zu charakterisieren sowie Forschung und Industrie Referenzmaterial zur Verfügung zu stellen, sind die allgemeinen Schritte, erläutert Dr. Stephan Winter. Wie stark eine solche Infektion den Anbau von Nutzpflanzen bedrohen kann, zeigt ein prominentes Beispiel. Das Bakterium Xyllela fastidosa, auch Feuerbakterium genannt, befällt unter anderem Olivenbäume, die dann zunächst welken, um danach abzusterben. Mehrere hunderttausend Olivenbäume in Süditalien, auch Jahrhunderte alter Baumbestand, sind betroffen. Das führte zu starken Ernteeinbußen, die auch hierzulande spürbar waren: Der Preis für Olivenöl stieg.

Ziel ist es, die Infektionswege zu kennen und möglichst zu unterbinden. In diesem Fall war der Erreger weit gereist. Xyllela fastidosa stammt ursprünglich aus Südamerika und war zusammen mit Kaffeepflanzen nach Italien gekommen. Kaffeepflanzen brauchen wenig Licht und sind als Zimmerpflanzen sehr beliebt. Die weitere Verbreitung des Bakteriums erfolgt dann häufig über Insekten. Hier stellen die Mechanismen, mit denen der Erreger in das Insekt gelangt und weitergegeben wird, einen wichtigen möglichen Ansatzpunkt gegen die Erreger-Ausbreitung dar.

Wichtig sei, eine Infektion der Pflanzen im Ansatz zu unterbinden, fasst Winter zusammen, denn eine Bekämpfung der Erreger in der Pflanze sei meist nicht möglich. Die Erforschung natürlicher Resistenzen und die Bekämpfung der Vektoren bilden daher einen wichtigen Schwerpunkt. 

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