Untersuchungen zur Überlebensfähigkeit thermophiler und hyperthermophiler Mikroorganismen nach Trocknung und Strahlenexposition

Abstract

Ziel der Arbeit war eine umfassende Analyse thermophiler und hyperthermophiler Archaeen und (hyper-)thermophiler, phylogenetisch tief abzweigender Bakterien bezüglich ihrer Toleranz gegenüber Trocknung und Strahlung. Dabei zeigten 12 von 18 getesteten Spezies, als vegetative Zellen eine zum Teil hohe Toleranz gegenüber Trockenheit. Es scheint, dass die Fähigkeit, Trocknung zu überdauern, ubiqitär im Stammbaum des Lebens verbreitet ist. Es handelt sich hierbei um ein spezies-spezifisches Merkmal, da unterschiedliche Toleranzlevel sowohl innerhalb einer Ordnung, als auch innerhalb einer Gattung zu finden sind. Die meisten Zellen sterben durch die anfängliche Trocknung und dies ist durch folgende Parameter beeinflusst: Temperatur, Sauerstoff, pH-Wert und Wachstumssubstrat. Anaerobe Organismen sind in ihren Überlebensraten während der Trocknung durch die Gegenwart von Sauerstoff stark beeinflusst. T. tenax, T. pendens, M. thermoautotrophicus, M. jannaschii und Tv. ruber können nur unter strikt anaeroben Bedingungen Perioden der Trockenheit überdauern. Einen vergleichsweise geringfügigen Einfluss auf die Überlebensrate nach Trocknung hatten die relative Luftfeuchtigkeit und eine Vakuum-Exposition während der Lagerung. Eine große Rolle bei der Trockentoleranz scheinen die kompatiblen Solute bei A. fulgidus zu spielen. Nach Salzstress wird von A. fulgidus nahezu ausschließlich das kompatible Solut DGP mit Kalium als Gegenion in großen Mengen (98 mg/g TG) gebildet. Die Bildung von DGP nach Salzstress führte dabei zu einer drastischen Erhöhung der Überlebensrate nach Trocknung unter oxischen und anoxischen Trocknungsbedingungen. Des Weiteren wurde das Überleben nach UV-C Bestrahlung sowohl in nicht-absorbierender Flüssigkeit als auch bei zwei Organismen nach Trocknung untersucht. Alle getesteten Organismen überlebten Fluenzen bis 1000 J/m² UV-C in Flüssigkeit. Im niedrigeren Fluenzbereich bis 100 J/m² konnte zum Teil eine typisch geschulterte Fluenz-Effekt-Kurve gezeigt werden. Bei einer Kombination von Strahlung und Trocknung kommt es zu einer Sensibilisierung der Zellen. Die Analyse der DNA-Photoprodukte nach UV-C-Bestrahlung zeigte, dass sich sowohl die Menge an DNA-Protein-Quervernetzungen als auch die Menge der entstehenden DNA-Dimere bei Archaeen und Bakterien nicht unterscheiden. Es sind die beiden typischen Hauptphotoprodukte (CPD; 6-4-PP) zu finden. Dabei ist deren prozentuale Verteilung einerseits spezies-spezifisch und andererseits mengenmäßig nur zum Teil fluenzabhängig. Einige der getesteten Mikroorganismen besitzen eine außergewöhnlich hohe Toleranz gegenüber Einwirkung von ionisierender Strahlung. A. pyrophilus und I. hospitalis können Bestrahlungen mit einer Dosis von 20 kGy überleben. Bei einer derartig hohen Bestrahlung liegt das Genom stark fragmentiert vor. Dennoch können diese Organismen ihr Genom reparieren und somit eine derartig hohe Strahlendosis überleben. Zusätzlich konnte ein direkter Zusammenhang zwischen einer erhöhten Strahlentoleranz gegenüber ionisierender Strahlung und einer hohen Überlebensrate nach H₂O₂-Behandlung nachgewiesen werden. Genomanalysen zeigen, dass alle strahlentoleranten Organismen eine Grundausstattung an Reparaturgenen besitzen; ob es außergewöhnliche Reparatursysteme gibt, die für die Reparatur einer solchen Anzahl von Doppelstrangbrüchen verantwortlich sein könnten ist noch ungeklärt. Insgesamt scheinen (Hyper-)Thermophile zum Teil sehr hohe Toleranzen gegenüber zellschädigender Behandlung zu haben und könnten in Zukunft als neue Modellorganismen bei Weltraumexpositionsexperimenten dienen.