Nitrifikanten und Fruchtfliegen

Verena Ahne | aus HEUREKA 1/12 vom 02.05.2012

Christian Schlötterer widmet seine Arbeit der Fruchtfliege, Michael Wagner bestimmten Mikroorganismen, den Nitrifikanten. So sieht Spitzenforschung heute aus

Die Begeisterung ist spürbar. In jedem Satz vom anderen Ende der Leitung. Ich sitze am Telefon und doch sehe ich Augen leuchten und Hände gestikulieren, lachende Mienen, die Vorfreude auf "spannende Fragen“, "tolles Wissen“, "fantastische Projekte“.

Kein Wunder, dass Feierlaune herrscht: Jedem der beiden Männer, mit denen ich spreche, wurde zu Jahreswechsel einer der prestigeträchtigen ERC Advanced Grants des Europäischen Forschungsrates zuerkannt. Je zweieinhalb Millionen Euro für die nächsten fünf Forschungsjahre.

Diese Fördermittel gelten hervorragender wissenschaftlicher Arbeit - dokumentiert durch zahlreiche Publikationen in den besten Wissenschaftsjournalen und weltweit von Kollegen zitiert. Auf Exzellenz kommt es an bei einem ERC. Und auf eine zündende Idee: etwas Neues, Innovatives, das möglicherweise - aber nicht zwingend vorausgesetzt - zu wissenschaftlichen Durchbrüchen führt.

Die beiden glücklichen Männer sind Michael Wagner und Christian Schlötterer. Wagner leitet das Department für Mikrobielle Ökologie an der Fakultät für Lebenswissenschaften der Universität Wien. Er wird eine Bakteriengruppe unter die Lupe nehmen, die zentral am weltweiten Stickstoffkreislauf beteiligt ist. Christian Schlötterer, Leiter des Instituts für Populationsgenetik der Veterinärmedizinischen Uni Wien, untersucht anhand von Fruchtfliegen Anpassungsprozesse an den Klimawandel.

Winzige Welten kommen groß raus

Wagners Projekt-Interesse gilt den Nitrifikanten: Organismen von einem tausendstel Millimeter Größe, die überall in Böden und Gewässern vorkommen. Unablässig arbeiten sie daran, Ammonium in Nitrit und Nitrit in Nitrat umzuwandeln (als Nebenprodukt fällt dabei unter anderem Lachgas an).

Das ist ein wichtiger Teilprozess des weltumspannenden Stickstoffkreislaufs, jener hoch komplexen Vorgänge in Luft, Böden und Gewässern, ohne die Leben auf unserem Planeten nicht möglich wäre.

"Alle reden im Zusammenhang mit dem Klimawandel über den Kohlenstoffkreislauf“, sagt Wagner. "Doch der Mensch beeinflusst auch die Nitrifikanten, mit denen die Gesundheit der Erde in so vielfältiger Weise verknüpft ist, ganz massiv - ohne die Konsequenzen zu verstehen.“

So tragen die Verbrennung von Erdöl und Kohle und der massive Einsatz von Kunstdünger in der Landwirtschaft gewaltige Mengen Stickstoff in das System ein. Zu den heute bekannten Problemen, die das verursacht, gehören übersäuerte und überdüngte Böden, nitratverseuchtes Grundwasser, Algenwachstum in Flüssen, Seen und Meeren oder die Freisetzung von Lachgas, einem Treibhausgas, hunderte Male schädlicher als CO2.

Bis heute wenig verstanden ist jedoch, wie Nitrifikanten leben und arbeiten.

"Eigenartigerweise kann man die meisten von ihnen im Labor nicht vermehren, um sie zu untersuchen“, erklärt Wagner. "Sie wachsen dort nicht - niemand weiß, warum.“ Im Rahmen des ERC-Projekts möchte der 46-jährige Münchner deshalb neue Wege beschreiten. "Wir verwenden zwei Techniken, die in der Materialwissenschaft etabliert sind, in der Mikrobiologie aber noch kaum.“

Die Raman-Mikrospektroskopie erzeugt einen "chemischen Fingerabdruck“ der untersuchten Zellen. Die Nano-Sekundärionenmassenspektrometrie (NanoSIMS) erlaubt dreidimensionale Bilder der chemischen Zusammensetzung einzelner Bakterienzellen mit einer Auflösung von bis zu 50 Nanometer (Milliardstel Millimeter).

Auf der Jagd nach Mikroorganismen

"Wir können nun isotopenmarkierte Verbindungen zu Umweltproben zugeben und den Nitrifikanten im NanoSIMS oder Raman dabei zusehen, was sie damit machen und somit ihre Funktion im System untersuchen“, erklärt Wagner. Und ihre Funktion im System untersuchen. Der Mikrobiologe vergleicht das mit einem Flug über die Serengeti, bei dem Tiere beobachtet und bei Bedarf für genauere Untersuchungen auch gefangen werden können.

Für den nächsten Schritt schlägt er eine neue Technik vor: eine Art Mikro-Labor, das nur wenige Millimeter groß ist. Dafür werden die im Raman-Gerät als wichtig erkannten Bakterien mit einer optischen Pinzette ins Mikro-Labor verfrachtet, wo aus einer einzigen Zelle deren ganzes Genom vervielfacht wird, um dieses anschließen zu sequenzieren und seine genetischen Eigenschaften zu untersuchen. So hofft Wagner, die seit über hundert Jahren versuchsresistenten Mikroorganismen endlich studieren zu können.

Herr der Fruchtfliegen

Auch dem 49-jährigen Schlötterer geht es um genetische Informationen, auf Ebene des Individuums und der ganzen Art. "Wir möchten herausfinden, wie sich Populationen an sich verändernde Umweltbedingungen anpassen.“ Dafür werden wilde Fruchtfliegen gefangen und in zwei Klimazonen generationenlang vermehrt: bei 10 bis 20°C und bei 18 bis 28°C.

Drosophila, dieses lästige Insektchen, das auftaucht, sobald etwas säuerlich Duftendes wie Obst, Wein oder Saft herumsteht, ist der Liebling der Genetik, weil sie sich so rasch und unkompliziert vermehrt. Es gibt weit über 1000 Arten. Manche, wie Drosophila simulans, sind wahre Kosmopolitinnen. Andere gibt es nur in kleinen, abgegrenzten Lebensräumen. "Es wird spannend sein zu sehen, ob sich Fruchtfliegen zum Beispiel aus sehr heißen Regionen anders anpassen als die Simulans“, berichtet Schlötterer von einer der Fragestellungen im Projekt.

Dem ebenfalls aus Deutschland stammenden Biologen geht es dabei nicht um Mutationen. "Eine zentrale, aber bis heute nicht geklärte Frage der Biologie ist, warum es so viel Variation in der Natur gibt.“

Die Sequenzierung von Genomen machte deutlich: Erbgutanalysen von Populationen brachten riesige Unterschiede zwischen den Individuen zutage. Eine hohe Variationsbreite erhält die Art. Auch wenn Einzelindividuen an ihrer Umwelt scheitern mögen, gibt es andere, deren Anlagen eine rasche Reaktion auf die neuen Bedingungen erlauben, ohne auf eine Mutation warten zu müssen - denn das könnte zu lange dauern. "Damit wird klar, wie unglaublich wichtig der Erhalt der Biodiversität ist.“

Im Rahmen des Projekts werden die Genome von Fliegenpopulationen über Generationen hinweg sequenziert. "Wir schauen, wie variabel die einzelnen Gen-Abschnitte sind: Was ändert sich durch mehr Wärme oder Kälte auf jedem einzelnen davon? Werden alle Allele weitergegeben oder nur ein Teil? Ändern sich die Tiere äußerlich, Flügellänge, Körpergröße, Farbe? Reagieren spätere Generationen anders auf Hitze oder Kälte - und sind die Anpassungen reversibel?“ Voruntersuchungen lassen eine "unglaubliche“ Wirkung auf die Umwelt erwarten.

Völlig neue Forschungsmittel

Dank der neuen Sequenziertechniken hat sich Goldgräberstimmung breit gemacht: "Das ist ein neues Werkzeug zum Graben. Unser Projekt wäre vor ein paar Jahren noch undenkbar gewesen“, sagt Schlötterer. Die wahre Herausforderung aber ist, die Terabytes von Informationen, die durch die Sequenzierungen anfallen, auch klug zu interpretieren. "Wir wollen die Daten von Phänotyp (Entwicklung des Individuums im Laufe des Lebens) und Genotyp (genetischen Anlagen) miteinander verbinden und mit Fliegen aus warmen und kalten Regionen vergleichen.“ Wie genau das gehen wird, weiß der Forscher zwar noch nicht. Doch dank ERC hat er ja jetzt die Möglichkeit, das herauszufinden.

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