Bakterie als Überlebenskünstler Atommüll zum Dessert

Als "zähestes Bakterium" steht es im Guinness-Buch der Rekorde. Aber Deinococcus radiodurans kann auch radioaktive Reste entsorgen, Umweltgifte erkennenn und im Erbgut Daten speichern.

Von Ingo Lackerbauer

Säurebäder, extrem hohe und niedrige Temperaturen, immense Drücke und kaum vorstellbare radioaktive Strahlendosen - all das macht dem Bakterium Deinococcus radiodurans nichts aus.

Im Laufe von zwei Milliarden Jahren Evolutionsgeschichte hat die Mikrobe Reparaturmechanismen entwickelt, die sie zum Überlebenskünstler in den unwirtlichsten Umgebungen macht.

Neuerdings werfen nicht nur Wissenschaftler, sondern auch Ökonomen und Militärstrategen einen Blick auf D. radiodurans. Der Einzeller scheint in der Lage zu sein, radioaktiven Müll in wesentlich harmlosere Restprodukte verwandeln zu können.

Seine Widerstandsfähigkeit hat dem Mikroorganismus bereits einen Eintrag in das Guinness-Buch der Rekorde, als das "zähestes Bakterium" eingebracht. Er überlebt sogar im Kühlwasserkreislauf eines Atomreaktors. Erst bei einer Strahlendosis von mehr als 18.000 Gray nimmt er deutlich Schaden, für einen Menschen sind bereits 50 Gray unmittelbar tödlich.

Innerhalb weniger Stunden kompensieren bei D. radiodurans Enzyme Strahlenschäden am Erbgut. Sogar sogenannte Doppelstrangbrüche, eine besonders schwere Form der DNS-Schädigung, stellen kein Problem dar. DNS-Ketten in mehrfacher Ausführung ermöglichen die Selbstheilung: Wurde ein DNS-Strang zerstört, dient seine Sicherheitskopie als Vorlage für die Instandsetzung.

Besonders widerstandsfähig durch Mangan

Wissenschaftler um Michael Daley, von der Uniformed Services University of Health Sciences in Bethesda, Maryland, haben die robuste Mikrobe nun noch widerstandsfähiger gemacht. Ihre Forschungen ergaben, dass die radioaktive Widerstandskraft von Bakterien mit zunehmendem Manganspiegel stieg.

Jene Bakterien, die radioaktiver Strahlung widerstanden, zeichneten sich durch einen besonders hohen Mangan-Anteil bei gleichzeitig sehr niedrigem Eisen-Anteil aus. Daly schloss daraus, dass das Mangan dem Bakterium dabei hilft, beschädigte Moleküle zu reparieren sowie freie Radikale im Zaum zu halten.

Die nun gezüchtete Superbakterie zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen im Vergleich zum normalen Deinococcus radiodurans-Bakterium wesentlich höheren Mangan-Anteil hat.

Diese Modifikation des Deinococcus radiodurans ist, so haben Laborversuche gezeigt, in der Lage, einige Inhaltsstoffe radioaktiven Abfalls zu umzuwandeln. In der für andere Organismen tödlichen Umgebung vermag das Bakterium beispielsweise extrem giftige und hochgradig strahlende Quecksilber-Verbindungen, die Bestandteil vieler älterer Atomwaffen sind, in leichter zu entsorgendes normales Quecksilber umzuwandeln.

Es ist dann zumindest nicht mehr in Wasser löslich ist und kann das Grundwasser nicht verseuchen. Welche anderen hochgiftigen radioaktiven Stoffe noch von dem Bakterium verarbeitet werden können, ist derzeit noch geheime Verschlusssache.

Geldgeber der erfolgversprechenden Versuchsreihen ist maßgeblich das amerikanische Militär, das so ganz nebenbei auch auf eine TNT zersetzende biologische Waffe hofft. Denn Deinococcus radiodurans ist nicht nur in der Lage, radioaktive Stoffe zu entschärfen, sondern erkennt auch Umweltgifte, wie etwa TNT, das auch Bestandteil vieler Waffen ist. Daher versucht man TNT-fressende Mikroben zu züchten. In Sprengstofflager eingeschleust, sollen sie diese binnen weniger Tage neutralisieren.

Kinderlied im Gen-Code

"Im Moment stehen wir erst am Anfang unserer Forschungen. Bis es letztendlich eine alltagstaugliche Version der Bakterie geben wird, die gezielt Atommüll beseitigt, werden noch einige Jahre vergehen", sagt Daley. Aber da das Problem, militärischen und industriellen Atommüll zu beseitigen, dringend sei, werde die Arbeit derzeit finanziell verstärkt gefördert.

Seine außerordentliche Widerstandsfähigkeit macht das Bakterium aber nicht nur für die Entsorgung von Problemabfällen interessant, sondern auch als Datenspeicher für die IT-Industrie. Federführend in diesem Bereich ist derzeit ein Team um den Bakteriologen Masaru Tomita von der Keio Universität im japanischen Fujisawa. Sein Team erforscht wie Daten in Form künstlicher DNS in den Bakterien gespeichert und wieder abgerufen werden können.

Aktuelle Datenspeichersysteme sind kaum in der Lage, Informationen über mehrere Jahrzehnte hinweg fehlerfrei zu konservieren. Ein robuster Mikroorganismus hingegen, so hoffen die Forscher, könnte Informationen über zehntausende Jahre hinweg verlustfrei speichern, das schafft er ja auch mit den Informationen seines eigenen Erbguts.

Pak Chung Wong vom Pacific Northwest National Laboratory in Richland im US-Bundesstaat Washington übersetzte den Text eines Kinderliedes in den genetischen Code und schleuste die entsprechende DNS-Sequenz in die Gene der Bakterien ein. Noch nach etwa hundert Bakteriengenerationen ließen sich die Strophen mit üblicher DNS-Sequenziertechnik wieder auslesen, die Information war stabil abgespeichert worden.

Größter Feind: die Mutation

Die Wissenschaftler nutzen dabei die Tatsache, dass genetische Codes sich aus vier verschiedenen chemischen Grundbausteinen zusammensetzen, darstellbar als die Buchstaben A, C, G und T. Analog zum Schreiben digitaler Daten werden diese vier Bausteine benutzt, um Datenreihen zu erzeugen.

Verschiedene Kombinationen der vier Molekularbausteine kodieren jeweils für einen anderen Buchstaben des Alphabets. Dann fertigen die Wissenschaftler künstliche DNS-Stücke mit genau der Bausteinabfolge an, die sie zuvor ermittelt hatten, und fügen sie in das Erbgut der Bakterien ein.

Größter Feind der Datenspeicherung in einem Bakterium ist eine eventuelle Mutation. Eine Veränderung am künstlichen Erbgutstrang würde die implantierten DNS-Informationen zwar nicht völlig zerstören, sie könnten aber unleserlich werden. Um dies zu verhindern, werden die Informationen an vier Stellen im Bakterium gleichzeitig abgespeichert, sagt Masaru Tomita.

Um den im Bakterium gespeicherten Daten-Inhalt auszulesen, bedarf es laut Tomita allerdings derzeit immensen technologischen Aufwands. Zunächst muss die künstlich erzeugte DNS im Bakterium herausgefiltert, dann ausgelesen und anschließend wieder in verständlichen Text übersetzt werden.

Bei dem Lesevorgang ist es allerdings leider noch so, dass der lebende Datenspeicher zerstört wird. Wie genau er vorgeht, um die Information aus der DNS wiederzugewinnen, darüber hüllt sich Tomita in Schweigen.