In Stein geschrieben

In ihrem Büro im Gebäude 68 bewahrt Dianne Newman einen polierten, kugelförmigen Felsen auf, der mit Eisenbändern gestreift ist. Auf allen Kontinenten gefunden, sind solche Gesteine ​​die häufigste Quelle für Eisenerz. Und für Newman liefern Exemplare wie dieses 2,4 Milliarden Jahre alte Beispiel Erkenntnisse, die helfen könnten, einen sehr verworrenen Teil der Erdgeschichte zu entwirren. Wann begannen antike Mikroben, den Sauerstoff zu produzieren, den wir atmen, und was waren das für Mikroben?

Newman hatte nicht vor, ihre Karriere damit zu verbringen, solche Fragen zu erforschen. Sie kam 1993 zum MIT, um einen Master-Abschluss in Ingenieurwissenschaften zu machen. Sie dachte, sie würde einige Jahre in diesem Bereich arbeiten, bevor sie Jura studierte, um Patentanwältin zu werden. Aber ein Kurs in Umweltmikrobiologie ließ sie von der Vielfalt des Stoffwechsels von Bakterien fasziniert sein – den chemischen Reaktionen, die sie zum Leben ausführen. Ich habe gelernt, dass Bakterien giftige Verbindungen essen und sie in gutartige umwandeln können, erinnert sie sich. Ein Projekt, das Bakterien dazu veranlasste, Arsen in ein halbleitendes Material umzuwandeln, weckte ihr Interesse daran, wie Bakterien die chemische Zusammensetzung der Erde geformt haben könnten, und sie wechselte in die Geowissenschaften, wo sie promovierte. Nach sieben Jahren am Caltech wechselte sie 2007 als Professorin für Biologie und Geobiologie an die MIT-Fakultät.

Diese Geschichte war Teil unserer November-Ausgabe 2008

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Mikroben sind die besten Chemiker der Welt, wundert sich Newman. Gut genug, um seine Umgebung umgestaltet zu haben. Als unser Sonnensystem vor 4,5 Milliarden Jahren entstand, war die Erdatmosphäre fast sauerstoffarm. Die ersten einzelligen Lebensformen, die vor etwa 3,8 Milliarden Jahren entstanden, lebten wahrscheinlich in den Meeren und hatten Stoffwechselvorgänge, die weder Sauerstoff benötigten noch als Nebenprodukt produzierten. Einige von ihnen lebten von Eisen; ihre Stoffwechselprozesse veränderten den chemischen Zustand des Eisens und schufen die Ablagerungen im Newman-Gestein. Andere ernährten sich wahrscheinlich von Schwefel.

Und dann geschah etwas, das das Tier- und Pflanzenleben, wie wir es kennen, möglich machen würde. Einige Bakterien begannen, Sonnenlicht zu nutzen, um Wasser in Wasserstoff aufzuspalten, den sie zur Herstellung von Treibstoff verwendeten, und Sauerstoff, den sie als Abfall freisetzten. Dank der sauerstoffhaltigen Photosynthese hatten die Atmosphäre und das flachste Ozeanwasser vor etwa 2,4 Milliarden Jahren einen erheblichen Sauerstoffgehalt; vor etwa 540 Millionen Jahren war der Sauerstoffgehalt mit dem heutigen vergleichbar.

Die Frage, welcher Organismus wann zum ersten Mal mit der Sauerstoffproduktion begann, ist eines der großen Mysterien der Erdgeschichte. Es ist ein wirklich schwieriges Problem, aber wirklich verführerisch, sagt Newman.

Um dies zu beantworten, konzentrieren sich Newman und andere am MIT und auf der ganzen Welt auf Felsen wie den in ihrem Büro. Genau wie Dinosaurierknochen wurden die Überreste von Bakterien, die in den alten Meeren lebten, über Millionen (im Fall der Bakterien Milliarden) von Jahren in das Gestein eingearbeitet. Forscher wissen, dass bestimmte Verbindungen nur durch Prozesse in lebenden Organismen hergestellt werden. Wenn sie solche Verbindungen in einem Gestein sehen, bedeutet dies, dass das Gestein Spuren des alten Lebens widerspiegelt. Geobiologen interpretieren diese Bakterienfossilien, indem sie die chemischen Verbindungen in ihnen mit denen vergleichen, die von modernen Bakterien erzeugt werden, die noch immer auf uralte Stoffwechselprozesse angewiesen sind. Durch eine solche Analyse hoffen sie herauszufinden, welche Mikroben die im Gestein verbliebenen chemischen Verbindungen hergestellt haben. Man muss sich die Funktion dieser Chemikalien in vielen lebenden Organismen ansehen, sagt Newman. Diese Art von Logik verbindet uns mit der Vergangenheit.

Eine der wichtigsten chemischen Spuren, die alte Bakterien hinterlassen haben, ist eine Gruppe von Verbindungen, die 2-Methyl-BHPs genannt werden. 1999 fanden Roger Summons, ein MIT-Professor für Geobiologie, und Kollegen diese Verbindungen in 2,5 Milliarden Jahre alten Gesteinen aus dem Hamersley-Becken in Westaustralien. Diese Steine ​​aus einer Eisenmine ähneln dem polierten in Newmans Büro. Heute sind Sauerstoff produzierende Photosynthesegeräte, sogenannte Cyanobakterien, die Hauptproduzenten dieser BHPs. Aus diesem und vielen anderen Gründen, einschließlich bestimmter Merkmale der Hamersley-Stätte, haben Summons und andere den Fund als Beweis dafür interpretiert, dass Cyanobakterien vor 2,5 Milliarden Jahren moderne Photosynthese betrieben. Die Logik war, dass diese Verbindungen von Cyanobakterien hergestellt werden; Cyanobakterien betreiben sauerstoffhaltige Photosynthese; deshalb fand zu dieser Zeit eine sauerstoffhaltige Photosynthese statt, sagt Newman.

Newman ist der Meinung, dass ihre eigenen Forschungen diese Schlussfolgerung in Frage stellen. Sie hat einen anderen Bakterienstamm untersucht, der BHPs produziert: sogenannte Purpurbakterien, die kein Wasser zur Sauerstoffproduktion verwenden können. Stattdessen oxidieren sie Eisen, Wasserstoff oder verschiedene organische Verbindungen. Wir versuchen, die Funktion von [BHPs] in den Zellen herauszufinden, aus denen sie heute bestehen, sagt sie. Unsere vorläufigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass BHPs keinen direkten Zusammenhang mit der Photosynthese haben. Summons, die bei einigen ihrer Forschungen mit Newman zusammenarbeitet, nimmt ihre Skepsis nicht persönlich; Er ist zuversichtlich, dass ihre Arbeit zu wichtigen Erkenntnissen über diese Verbindungen führen wird und vor allem, warum und wie Bakterien sie herstellen. Er weist jedoch auch darauf hin, dass ihre Ergebnisse die Theorie nicht widerlegen, dass chemische Spuren von Cyanobakterien bei Hamersley erhalten bleiben.

Inzwischen beleuchtet Newmans Arbeit mit bakteriellen Verbindungen, die als Phenazine bekannt sind, ein Problem, das unmittelbarer ist als das Geheimnis, wie unsere sauerstoffreiche Luft entstanden ist. Indem sie die Art und Weise verändert, wie Wissenschaftler diese organischen Moleküle verstehen, könnte ihre Forschung zu neuen Behandlungen für chronische bakterielle Infektionen führen.

Phenazine werden seit langem als sekundäre Metaboliten klassifiziert, als Nebenprodukte von Prozessen, die kritischere Stoffwechselverbindungen produzieren. Sie sind auch seit langem als Antibiotika bekannt. Aber Newman hat gezeigt, dass Phenazine auch tiefgreifende Auswirkungen auf das Überleben und die Entwicklung von Mikroben haben.

Die Idee zu dieser Forschung kam Newman, als er Bakterien untersuchte, die, so seltsam es klingen mag, eisenhaltiges Gestein zum Atmen verwenden. Menschen verwenden Sauerstoff, um den Kohlenstoff beispielsweise in einem Thunfisch-Sandwich zu verbrennen und so Energie zu erzeugen; Die Aufgabe des Sauerstoffs besteht darin, Elektronen vom Kohlenstoff aufzunehmen. Eine ähnliche Rolle spielt Eisen für die steinatmenden Bakterien, die ihre Energie gewinnen, wenn sie die Elektronen in kohlenstoffhaltigen Verbindungen wie Glukose auf das Eisen im Gestein übertragen. Es atmet nicht im menschlichen Sinne – das Eisen selbst dringt nicht in die Zellen ein, da Sauerstoff in unsere Lunge gelangt. Stattdessen leiten steinatmende Bakterien einen elektrischen Strom an das Eisen, indem sie Moleküle verwenden, die als Elektronentransporter fungieren. Diese Moleküle transportieren Elektronen von einer Bakterienzelle zur nächsten und schließlich an die Oberfläche eines Eisengesteins, wie die Hände eines Publikums, das einen Crowdsurfing-Rockstar überführt. Newman und ihre Kollegen stellen die Hypothese auf, dass Phenazine in anderen Bakterien als Elektronentransporter fungieren könnten.

Wenn sie Recht haben, könnten ihre Erkenntnisse weitreichendere Auswirkungen haben, da sie sich mit dem befassen, was Newman als allgemeines Problem bezeichnet, mit dem Bakterien auf jeder Oberfläche wachsen. Nur wenige Bakterien leben von alleine. Egal wo und wie sie ihre Energie beziehen – ob sie den Zucker in den Zahnspalten genießen oder Schwefel aus Unterwasserquellen schlürfen – die meisten Bakterien leben in dicken, anhaftenden Gemeinschaften, die Biofilme genannt werden. Innerhalb eines Biofilms befinden sich einige von ihnen näher als andere an den Chemikalien, die sie für ihre energieerzeugenden Reaktionen benötigen. Als Newman darüber nachdachte, wie eisenatmende Bakterien Elektronenshuttles verwenden, um ihre Elektronen aus der Tiefe eines Biofilms zu einer Gesteinsoberfläche zu transportieren, erkannte sie, dass Bakterien, die in Biofilmen in unserem Körper wachsen, etwas Ähnliches tun könnten.

Newman beschloss, die Bedeutung von Phenazinen zu testen, die vom Humanpathogen Pseudomonas aeruginosa produziert werden und schwere chronische Infektionen bei Menschen mit Mukoviszidose oder geschwächtem Immunsystem verursachen. In der Lunge lebend, würden diese Bakterien auf das gleiche Problem stoßen wie die Gesteinsatmer Welten entfernt: Diejenigen, die sich in der Mitte des Biofilms befinden, würden von einem wichtigen Energiesubstrat, in diesem Fall Sauerstoff, isoliert.

Um zu testen, ob diese Bakterien Phenazine verwenden könnten, um die Herausforderungen des Gemeinschaftslebens zu überwinden, entwickelten Forscher in Newmans Labor zwei mutierte Stämme von ihnen. Eine Sorte konnte keine Phenazine herstellen, während die andere sie in großen Mengen produzierte. Als Newman und ihre Mitarbeiter die Bakterien in Petrischalen züchteten, sahen sie Unterschiede in der Architektur ihrer Gemeinschaften. Die überproduzierende Sorte wuchs in einer engen, glatten Schicht, verteilt wie Los Angeles. Die phenazinfreie Sorte breitete sich ebenfalls über eine große Fläche aus, wuchs jedoch in hohen Türmen, die wie New York City aufgebaut waren – vermutlich, um die Exposition jeder Zelle gegenüber dem Sauerstoff in der Luft zu maximieren.

Diese Ergebnisse sind vielversprechend; Jetzt muss Newman Tests durchführen, um zu sehen, wie die beiden mutierten Stämme in der Lunge wachsen. Wenn Pseudomonas Phenazine zum Überleben braucht, könnten Forscher theoretisch Therapien entwickeln, die die Bakterien daran hindern, sie zu synthetisieren oder zu verwenden; das könnte helfen, chronische Infektionen auszurotten.

Der Zugang zu Sauerstoff ist heute genauso problematisch wie der Zugang zu einem Mineral in der Vergangenheit, sagt Newman. Gerade solche Verbindungen machen die Geobiologie zu einem reichen und überraschenden Wissenszweig, nicht nur über die Geschichte des Planeten, sondern auch über unsere Gegenwart.

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