Der Autor ist Molekularbiologe und Umweltwissenschaftler am Department of Marine Sciences, University of North Carolina at Chapel Hill

Während die meisten meiner Studienfreunde mittlerweile nach Heilmitteln für unterschiedliche Krankheiten  forschen, bin ich zur Zeit im Arktischen Ozean unterwegs auf dem Weg zum Nordpol, und sammle Schlamm- und Wasserproben, um die Bakterien darin zu untersuchen. Habe ich was falsch gemacht, als sie uns in der Schule die Vorzüge der medizinischen Forschung nahegelegt haben? Nein, ich habe ganz einfach einen Hang zu den nützlichen Bakterien entwickelt, und möchte ihre Rolle in unserem Ökosystem besser verstehen. Also keine Angst, die meisten Bakterien in der Umwelt sind harmlos.

Ausgebildet bin ich als molekularer Biologe und Umweltwissenschaftler, aber ich würde mich selbst eher als mikrobieller Ökologe oder mariner Mikrobiologe bezeichnen. Um genau zu sein, untersuche ich die extrazelluläre Enzymaktivität von Bakterien. Das hört sich vielleicht kompliziert an, aber es ist eigentlich ganz einfach zu verstehen. Lasst es uns doch einfach mal Wort für Wort durchgehen. In „extrazellulär" stecken zwei Worte: „extra" und „zellulär". „Extra" stammt aus dem lateinischen und heißt in diesem Zusammenhang außen, und „zellulär" bedeutet Zelle, es passiert also etwas außerhalb der Zelle. „Enzyme" sind Proteine, die von Bakterien für unterschiedliche Zwecke produziert werden; einige Enzyme können andere Proteine oder Kohlenhydrate abbauen, und mit anderen Enzymen werden wichtige Prozesse in der Zelle gesteuert. Also, lasst uns jetzt wieder alles zusammenfügen: Extrazelluläre Enzymaktivität bezieht sich auf den bakteriellen Abbau von Proteinen und Kohlenhydraten außerhalb der Zelle, durch Enzyme, die von den Bakterien eigens dafür ausgeschieden werden. Jetzt wundert ihr euch vielleicht, warum das für uns interessant ist und was wir daraus lernen wollen. Foto: John Paul Balmonte Sedimentkerne, die mit dem TV-MUC (siehe Blog vom 11.08.) genommen wurden. Für die Bakteriengemeinschaften aus den Sedimenten wird die extrazelluläre Enzymaktivität bestimmt
Wenn wir essen, dann stecken wir das Essen in unseren Mund und zerkauen es. Von unserem Mund wandert das Essen dann durch Schlucken in unseren Magen, wo es mit Hilfe von Säuren weiter abgebaut und verdaut wird. Wir nehmen also Nahrung auf und verdauen sie. Bei Bakterien ist der Vorgang des „Essens" ein ganz anderer. Heterotrophe* Bakterien essen, kauen und verdauen nicht wie wir, sondern verdauen ihr Futter erst und nehmen es dann in ihre Zelle auf. Bei ihnen ist die Abfolge also genau anders herum. Aber warum können sie das Futter nicht einfach in den Mund stecken wie wir? Nun, zunächst einmal haben Bakterien gar keinen Mund, in den sie Nahrung aufnehmen könnten. Stattdessen haben sie über die ganze Zelle verteilt sogenannte Porine, das sind Poren in der Membran, durch die sie ihre Nahrung aufnehmen können. Vorher müssen sie die Nahrung allerdings außerhalb der Zelle verdauen und scheiden zu diesem Zweck extrazelluläre Enzyme (Verdauungsenzyme) aus. Diese Enzme bauen Proteine und Kohlenhydrate zu kleineren Bausteinen ab, die die Poren passieren und so in die Zelle transportiert werden können. Ohne eine Vorverdauung durch die extrazellulären Enzyme wäre die Nahrung zu groß und könnte nicht von den Bakterien aufgenommen werden. Deshalb kann man bakterielle extrazelluläre Enzyme mit unserem Magensaft vergleichen - beide sind dazu da, Nahrung zu verdauen.

Lasst mich jetzt als nächstes versuchen zu erklären, warum das alles für uns wichtig ist.  Die Bakterien, die ich untersuche, ernähren sich hauptsächlich von kleinen Partikeln in ihrer Umwelt. Diese Partikel stammen von abgestorbenen Organismen, wie Algen, anderen Kleinstlebewesen, oder auch von größeren Tieren. Bakterien können eine besonders große Palette von Substraten als Nahrung nutzen. Was Bakterien essen, und wie effizient sie ihre Nahrung  in der Umwelt nutzen können, hängt von verschiedenen Faktoren ab: 1) der bakteriellen Gemeinschaftsstruktur (welche Arten von Bakterien an einem Standort zusammen vorkommen), 2) wie aktiv diese Bakterien sind, 3) welche Typen von Enzymen die Bakterien ausscheiden, um ihre Nahrung aufzuschließen, 4) welche Art von Nahrung, und 5) in welchen Mengen diese vorhanden ist. All diese Faktoren werden sich vorraussichtlich im Zuge des globalen Klimawandels verändern; eine geringere Eisbedeckung könnte z.B. zu erhöhter Produktivität in den oberen Wasserschichten führen, also zu mehr Wachstum von einzelligen Algen, die wiederum andere kleine Lebewesen ernähren könnten. Wenn diese Organismen dann absterben und zum Meeresgrund sinken, wäre mehr Nahrung für die Bakterien am Meeresboden verfügbar.

Hier an Bord möchte ich untersuchen, wie effizient Bakterien aus der Wassersäule und aus dem darunterliegenden Meeresboden, unterschiedliche Nahrungsbausteine verwerten können. Dabei möchte ich unterschiedliche Lebensbedingungen vergleichen - Standorte im offenen Wasser, welche die teilweise von Eis bedeckt sind, sowie Standorte, die permanent unter einer Eisdecke liegen.Foto: John Paul Balmonte Vergleich von offenem Wasser, teilweise eisbedeckten und ständig eisbedeckten Standorten in der Arktis
Ich beprobe Bakterien aus unterschiedlichen Wassertiefen, sowie aus dem Sediment (oder dem Schlamm, wie ich gerne sage) und füttere sie mit unterschiedlichen Substraten, um herauszufinden, welche davon sie abbauen können. Dazu habe ich keine abgestorbenen Organismen mitgebracht, sondern verwende Peptid (Eiweiß)- und Polysaccharid (Zucker)- Substrate. Diese Substrate enthalten Kohlenstoff in unterschiedlicher Struktur, und wenn die Bakterien aus dem arktischen Wasser und Sediment die entsprechenden extrazellulären Enzyme besitzen, dann sind sie in der Lage diese Substrate zu verdauen und sie als Nahrungs- und Energiequelle zu nutzen. Foto: John Paul Balmonte Daniel Scholz vom AWI hilft bei der Aufarbeitung der Proben
Wenn sich in Zukunft die Temperaturen hier in der Arktis verändern (wie es vorhergesagt wird), dann könnte sich auch die Zusammensetzung der hier lebenden Bakteriengemeinschaften verändern. Das bedeutet, dass sich auch die Effizienz mit der Bakterien ihre Nahrung abbauen verändern könnte. Durch Vergleiche der bakteriellen Gemeinschaftsstruktur und ihrer Enzymaktivität unter verschiedenen Eisbedingungen, wollen wir Hinweise darauf erlangen, wie sich diese Parameter in Zukunft  unter dem Einfluss globalen Klimawandels verändern könnten. Und das ist der Grund, warum ich an dieser Reise in die Arktis teilnehme.

*Heterotroph bedeutet, dass Organismen von Kohlenstoffquellen, wie Proteinen oder Kohlenhydraten abhängig sind (so wie z.B. wir), im Gegensatz zu auto- oder phototrophen Organismen, wie Algen oder auch Landpflanzen, die Sonnenlicht und Kohlendioxid nutzen, um daraus Biomasse aufzubauen.

Übersetzung: Christina Bienhold, AWI/MPI
Der Blog-Eintrag im Original auf den Seiten des Alfred-Wegener-Instituts:
http://www.awi.de/en/discover/expedition_reports/blog_polarstern_expedition_icearc/