Das Amazon der Mikroben
XTRA-ARTIKEL AUSGABE 2/2021
Wer Mikroorganismen oder Zellkulturen sucht, wird hier fündig: in der DSMZ in Braunschweig – der weltweit größten Sammlung von Bioressourcen. Welche Organismen hier archiviert und für welche Zwecke sie eingesetzt werden, das haben wir uns angesehen
Text: Verena Fischer
Ein kurzer Fußweg führt uns über einen Platz, vorbei am Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin sowie dem Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung. Die direkte Nähe zur Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ) – ein Institut der Leibniz-Gesellschaft – ist kein Zufall: „Es gibt viele Forschungskooperationen mit den Nachbarn“, bestätigt der wissenschaftliche Direktor Prof. Dr. Jörg Overmann.
1969 gegründet, hat sich das Leibniz-Institut DSMZ mittlerweile zur weltweit vielfältigsten Bioressourcen-Sammlung entwickelt. Pro Jahr werden rund 40.000 davon an mehr als 10.000 Kunden in 85 Ländern abgegeben. Scherzhaft wird die DSMZ daher von Forschern auch das Amazon der Mikroorganismen genannt – 75.000 Bioressourcen sind hier erhältlich. Im Büro von Jörg Overmann, umgeben von mikrobiologischen Fachbüchern, beginnt eine Reise in ein sonst unsichtbares Universum: „Die mikrobielle Vielfalt ist riesig und unsere Unwissenheit über das Zusammenspiel innerhalb komplexer Bakteriengemeinschaften ebenfalls“, gibt der Professor für Mikrobiologie zu bedenken.
Auf die Frage, was ihn so sehr an Mikroorganismen fasziniert, erzählt Overmann von seiner Studienzeit. Damals standen Mikroorganismen noch gar nicht so sehr im Fokus, sagt er. Es fehlte schlichtweg die Technik, um diese zu detektieren. Das änderte sich erstmals Ende der 70er-, Anfang der 80er-Jahre mit der Entwicklung moderner fluoreszenzmikroskopischer Färbemethoden. Damit ließen sich plötzlich in einer Nährlösung pro Milliliter etwa 1.000 Bakterien feststellen – im Meerwasser sogar eine Million, in einem Gramm Boden knapp zehn Milliarden. „Es kam damals raus, dass Bakterien in sämtlichen Ökosystemen rund tausendmal häufiger vorkommen, als zuvor vermutet, und es wurde zunehmend klar, wie viele Funktionen im Ökosystem durch sie bewältigt werden.“ Während seiner Diplomarbeit nahm Overmann Gewässerproben in einem See, dessen Boden wegen der hohen Bakteriendichte sogar rötlich gefärbt war, und sein Interesse war endgültig geweckt.
Mikrokosmische Meilensteine
In den kommenden Jahren folgten weitere Meilensteine der Molekularbiologie: die Entwicklung der PCR, von fluoreszierenden Sonden für die Markierung von Bakterien und die Sequenzierung. „Es geschah derzeit unheimlich viel, was dazu beitrug, dass Wissenschaftler sich die Diversität von Mikroorganismen zunehmend erschließen konnten.“ Die Geburtsstunde der Mikrobiologie liegt sogar schon etwa 140 Jahre zurück, als Robert Koch erstmals Bakterien auf Agarplatten kultivierte, um Krankheitserreger zu untersuchen. „Auch heute wird diese Vorgehensweise noch vergleichbar angewandt: Mikroorganismen werden gesammelt, dann einzelne Organismen separiert und anschließend auf Agarplatten kultiviert, sodass Reinkulturen entstehen. Diese müssen dann in einem lebensfähigen, aber inaktiven Zustand konserviert werden, um sicherzustellen, dass es zu keinen genetischen Veränderungen kommt.“
Unsere Unkenntnis von der Diversität ist bei Mikroorganismen extrem, verglichen mit allem anderen
Eine erste Sammlung für solche Reinkultur-Konserven in Deutschland wurde 1969 in Göttingen etabliert, 1973 erhielt sie den Namen DSM. Kurz nach der Gründung wurden bereits 235 Bakterienstämme abgegeben, womit klar war, dass es in der Forschung einen hohen Bedarf an einer solchen zentralen Stelle gibt. Durch die Zusammenführung sämtlicher Bakteriensammlungen in Deutschland zu Beginn der 90er-Jahre wurde die DSMZ, wie sie seit 1988 heißt, dann zur einzigen nationalen Sammlung. Ein weitsichtiger Schritt, da dies das Qualitätsmanagement sehr erleichtert hat. Denn jede neue Kultur wird nach ihrem Eingang zunächst sequenziert, auf Reinheit überprüft sowie auf Konservierungsverfahren erprobt (flüssiger Stickstoff oder Gefriertrocknung). „Diese Tätigkeiten sind sehr aufwendig und es braucht dafür viele Wissenschaftler, die sich mit speziellen Bakterienkulturen gut auskennen. Auch die Vielfalt ist entsprechend groß. Es werden hier beispielsweise 80 Prozent aller bekannten Bakterien abgedeckt, das ist weltweit die größte Bandbreite“, bestätigt der wissenschaftliche Direktor.
Mikrobieller Klimagipfel
Dass Mikroorganismen bei Diskussionen über den Klimawandel und das Artensterben in der Regel ausgeklammert werden, kritisiert Overmann und plädiert für ein mikrobielles Monitoring. „Es ist zwar nachvollziehbar, dass an Mikroorganismen nicht gedacht wird, weil man Veränderungen in ihrer Biodiversität in der Regel nicht sieht. Wenn aber darüber diskutiert wird, dass etwa durch das Sterben von Insekten Funktionen im Ökosystem verloren gehen, vergisst man, dass sehr viele Funktionen gerade durch Mikroorganismen bewerkstelligt werden.“
Studien belegen, dass es erhebliche Diversitätsunterschiede mikrobieller Gemeinschaften bei unterschiedlichen Landnutzungsformen gibt. „Wenn wir das vergessen, dann verstehen wir gar nicht, welche Effekte Veränderungen unserer Umwelt auf das Klima haben können, weil das Wesentliche nicht untersucht wird.“ Als Beispiel nennt Overmann das Treibhausgas Methan, das fast ausschließlich durch Archaeen gebildet wird. „Das heißt, Methan bringt als viel effektiveres Treibhausgas als CO2 schon bei geringen Unterschieden der Konzentration massive klimatische Veränderungen mit sich. Das sehen wir gerade beispielsweise beim Auftauen der sibirischen Permafrostböden.“
Ein Artensterben unter Mikroben ist aber nicht das Problem. „Mikroorganismen kommen weltweit in unvorstellbar großen Populationen von manchmal bis zu 1048 Individuen (eine 1 mit 48 Nullen) vor und diese werden beispielsweise durch Luftströmungen auf der ganzen Welt verteilt.“ Innerhalb von drei Tagen können Mikroorganismen so aus der Sahara in die Karibik gepustet werden. Es ist daher unwahrscheinlich, dass Populationen komplett verschwinden. Das Problem sei hingegen, dass sich die Diversität gerade von aktiven Bakterien unter verschiedenen Bedingungen massiv ändern kann. „Sie machen dann in bestimmten Ökosystemen nicht mehr das, was man vielleicht möchte.“
Es gibt viel zu tun
In Zukunft wollen Wissenschaftler an der DSMZ daran arbeiten, Interaktionen komplexer Bakteriengemeinschaften besser zu verstehen. Das fängt im humanen Mikrobiom an, in dem schätzungsweise um die 100.000 Arten leben. „Und wir müssen verstehen, was die 99,9 Prozent der Bakterienarten, von denen es noch kein Isolat und keinen Laborbefund gibt, machen. Also unsere Unkenntnis von der Diversität ist bei Mikroorganismen extrem, verglichen mit allem anderen.“
Der Bereich, der im Institut gerade am stärksten wächst, beschäftigt sich mit der Evolution und Anpassung pathogener Bakterien. Dadurch lassen sich Krankheitsausbrüche rekonstruieren und epidemiologische Daten erheben. Es gibt außerdem ein großes Digitalisierungsprojekt mit dem Ziel, möglichst alle Informationen zu den Bakterien zusammenzustellen. „So ist dann virtuell die gesamte Biodiversität für die Forschung verfügbar, ohne dass Bakterienstämme selbst im Labor untersucht werden. Da wird es hingehen.“ Für uns geht der Weg aber erst mal hin zur Welt der Phagen.
Szenenwechsel mit Zwischenstopp
Treppauf, treppab durch das Gebäude und durch eine doppelt gesicherte Tür erreichen wir Räume, in denen es von Schubladen nur so wimmelt – allesamt angefüllt mit versandfertigen, gefriergetrockneten Reinkulturen, durchnummeriert und katalogisiert. „Wir planen, Roboter einzuführen, die automatisch Kulturen sortieren und raussuchen“, erzählt Phagenforscherin Dr. Christine Rohde.
Dr. Rohde hat an der DSMZ zunächst die E.coli- und Plasmidsammlung aufgebaut, bevor es mit den Phagen losging. „Vor etwa zwölf Jahren merkte man, dass Phagen extrem interessant werden.“ Um die Phagen zu gewinnen, suchen die Forscher nach den Mikroorganismen in kliniknahem Klärwasser – „so ziemlich dem Ekligsten, was man sich vorstellen kann“, lacht Rohde. Es gibt schätzungsweise 1031 Phagen auf der Welt, also etwa zehnmal mehr als Bakterien. „Das betrifft auch unser Darmmikrobiom“, erklärt die Forscherin. „Je größer die bakterielle Vielfalt, desto größer die Vielfalt der Phagen.“ Obwohl Phagen im Grunde keine Lebewesen sind, haben sie eine zielgerichtete Evolution durchgemacht und leben in schlauer Koexistenz mit dem Wirt.
Wenn Antibiotika nicht mehr helfen, können Phagen eine Lösung sein
Phagentherapeutische Möglichkeiten
Rohde und ihre Arbeitsgruppe beschäftigen sich aktuell mit Phagencocktails: „Das Ziel ist, dass wir für Patienten, die an einem bestimmten Keim erkrankt sind, gegen den Antibiotika nicht mehr helfen, gezielt einen Cocktail aus zwei bis drei Phagen zusammenmischen.“ Ein gemeinsames Projekt mit dem Berliner Bundeswehrkrankenhaus, PhagoFlow genannt, hat das Ziel, Patienten mittels eines individuellen Cocktails, der im Rahmen eines Phagogramms über Nacht auf Wirksamkeit erprobt wird, zu behandeln. Ein Phagogramm entsteht, wenn Zielbakterien auf Agarplatten aufgebracht und dort mit den entsprechenden Phagen in Kontakt gebracht werden. Wirkt die Therapie, werden Bakterien zerstört und über Nacht wird ein Loch im Nährboden sichtbar.
Zunächst soll sich der Cocktail gegen MRSA-Bakterien richten. „Der Berliner Kollege rechnet damit, die ersten Patienten im September behandeln zu können.“ Eine andere Kollegin arbeitet gerade an einem Cocktail, der gegen Extended Spectrum beta-Lactamase E.coli im Darm wirksam sein soll. „Phagen sind generell sehr spezifisch innerhalb einer Bakterienart“, erklärt Rohde. „Manche haben ein schmales, manche ein breites Wirkspektrum. Wir wollen die mit dem breitem, damit möglichst viele Patienten profitieren.“ Die Forscher achten besonders darauf, dass Phagen wirklich spezifisch in der Art bleiben. „Denn in einer Wunde wäre es nicht so schlimm, wenn ein Bakterium die Artgrenze überspringen würde. Im Darm wäre das wegen der vielen guten Bakterien natürlich etwas anderes.“
Erste Erfolge der Phagenmedizin
Ein bahnbrechendes Beispiel für die Wirksamkeit der Phagentherapie ist die Heilung eines Babys an der Berliner Charité vor zwei Jahren. Das einjährige Kind wurde schon dreimal lebertransplantiert, ohne dass damit der VR-Enterokokkenbefall des Organs zu stoppen gewesen wäre. Dann kam ein Kinderarzt auf die Idee, Phagen einzusetzen, und rief Dr. Rohde an. Sie startete einen weltweiten Aufruf und fand zwei geeignete Phagen in Israel. Diese wurden sofort nach Brüssel geschickt, aufgereinigt und zum Cocktail aufbereitet. „Es hat wirklich toll geholfen“, erinnert sie sich.
Ein ähnlicher Einzelfall betrifft ein kanadisches Mädchen mit zystischer Fibrose, das zwei leicht genveränderte Phagen gegen Mycobacterium abscessus erhielt. „Dem Mädchen geht es heute wunderbar“, so Rohde. Eines ihrer weiteren Projekte nennt sich Phage4Cure. In Zusammenarbeit mit dem UKE Hamburg werden inhalative Phagencocktails gegen zystische Fibrose in klinischen Studien getestet. „Die Studie an Ratten ist abgeschlossen. Es gibt keine Gewebeschäden und keine klinischen Auffälligkeiten.“ Die Phase eins am gesunden Probanden wird nun angefragt. Bis es Phagentherapien für alle gibt, sei es aber noch ein weiter Weg, so Rohde.
Dass Bakterien in Kulturmedien regenbogenartig schimmern, beweist ihre Interaktion
Von Leuchtbakterien und Biogas
Unser Weg durch die DSMZ führt nun zum Biologen Dr. Richard Hahnke. Er stellt seine zwei Forschungsschwerpunkte vor. Zusammen mit seiner Arbeitsgruppe „Gramnegative Bakterien“ untersucht der Forscher derzeit, warum Bakterien regenbogenartig schimmern. „Wenn man stäbchenförmige Bakterien auf Agarplatten züchtet, ordnen diese sich extrem organisiert und symmetrisch an. Sie sortieren sich in geraden Linien nebeneinander und bilden auch nach oben hin planare Oberflächen aus, indem sie sich symmetrisch übereinanderschichten.“ Das Ergebnis ist eine schillernde, bei einigen Bakterien sogar fluoreszierende Oberfläche – „ein Beweis, dass sämtliche Bakterien im Nährmedium miteinander interagieren und kommunizieren“, erzählt Hahnke begeistert.
Bisher wurde die Beobachtung schillernder, metallisch glänzender oder gar leuchtender Bakterien in Kulturmedien von Forschern vor allem als Störfaktor in der Literatur vermerkt. „Jetzt denken wir darüber nach, diese Eigenschaft nutzbar zu machen“, erzählt er. Ein Kollege aus Frankreich arbeite daran, schillernde Nanobeschichtungen aus Bakterien für Autos zu produzieren.
Auch zur Eindämmung des Klimawandels erarbeitet Hahnke Modelle, um weltweite Ressourcen mittels Bakterien besser zu nutzen. Bei den nachwachsenden Rohstoffen etwa hat Deutschland mit dem Mais ein Level erreicht, das sich kaum weiter ausbauen lässt. Deshalb kam Hahnke auf die Idee, bisher ungenutzte Ressourcen wie Stroh und Gras für die Biogasgewinnung nutzbar zu machen und entwickelte mit seinem Team eine Technik – inspiriert von der Vorgehensweise von Ameisen – mithilfe von Archaeen und Bakterien sehr effizient aus Gras und Stroh Biogas zu gewinnen. Eine Technik, die nun bereits seit etwa 15 Jahren erfolgreich umgesetzt wird.
Bei der Lagerung von Stammzellen ist es essenziell, dass die Pluripotenz erhalten bleibt
Abstecher ins Weltall
Zufällig begegnet uns noch ein Kollege von Hahnke, der mit der Europäischen Raumfahrtbehörde kooperiert. Dr. Rüdiger Pukall betreut seit einigen Jahren die Sammlung von Weltraumbakterien. Dabei handelt es sich um Mikroorganismen, die in sogenannten Reinräumen entdeckt werden – sterile Einrichtungen, die zur Vorbereitung von Weltraumprojekten genutzt werden, um eine Kontamination mit irdischen Organismen zu verhindern. „Zu diesem Zweck gibt es weltweit zwei Planetary Protection Officer“, berichtet der Experte. „Einen von der NASA und einen von der ESA.“ Ihre Aufgabe ist es, die Keimfreiheit von sämtlichen Gegenständen, die ins Weltall gesendet werden, sicherzustellen.
Im Kosmos der Stammzellen
Zum Abschluss geht es in die Abteilung für menschliche und tierische Zellkulturen bei der Molekularbiologin Prof. Dr. Laura Steenpaß. Die Sammlung beinhaltet derzeit 860 Zelllinien, wovon rund 600 bis 650 humanen Ursprungs sind. Bisher lag der Schwerpunkt besonders auf Leukämie- und Lymphomzellen. Mit der neuen Leiterin Laura Steenpaß werden nun auch Bereiche rund um induzierte pluripotente Stammzellen und genomeditierte Zelllinien an Bedeutung gewinnen. Ziel der Forscherin ist es, induzierte pluripotente Stammzellen in die Sammlung zu integrieren. „Das ist beispielsweise ein aus Stammzellen erzeugter Kardiomyozyt“, erzählt die 48-Jährige und deutet auf einen Bildschirm, auf dem eine pulsierende Zelle zu sehen ist.
Bei der Etablierung von Stammzellen gibt es noch Hürden in der Qualitätskontrolle, da diese nun einmal die Eigenschaften besitzen, sich in der Zellkultur in verschiedene Derivate zu differenzieren. „Hier müssen wir sicherstellen, dass angebotene Stammkulturen ihre Pluripotenz weiterhin besitzen.“
Für pluripotente Stammzellen gibt es aktuell Studien zur Therapie von Augenerkrankungen, bei denen Japan federführend ist, berichtet Steenpaß. „Es handelt sich um retinales Pigmentepithel aus Stammzellen, mit dessen Hilfe Erblindungen therapiert werden sollen. Und es wird viel gemacht mit Kardiomyozyten, also Herzmuskelzellen.“ Klinische Studien dazu laufen derzeit im Tierversuch, und es werde sicher noch mehr als fünf Jahre dauern, bis eine Behandlung beim Menschen umsetzbar ist. Ein vollständiges Herz mithilfe von 3-D-Druck zu erzeugen und zu implantieren, sieht Steenpaß eher in sehr ferner Zukunft: „Die Blutversorgung zu gewährleisten ist eine Herausforderung“, sagt sie. Eher werde es eine Art Pflaster aus Zellen geben, das auf Areale, die von einem Herzinfarkt betroffen waren, aufgelegt werden kann.
Für uns und unsere 3,9 x 1013 Mikroorganismen wird es Zeit, die Sammlung der DSMZ wieder zu verlassen. Eines nehmen wir mit: die Einsicht, dass es viele Universen in unserem gibt, auch wenn wir diese nicht sehen können.
Summary
- Die DSMZ im Braunschweig verfügt über die weltweit größte Sammlung von Bioressourcen
- Forschungsschwerpunkte liegen unter anderem in den Bereichen der Phagentherapie, der Stammzellforschung sowie dem Naturschutz mithilfe von Mikroorganismen
Fotoquelle: Lisa Notzke