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scientia halensis 4/2002 .................................................................................... editorial EDITORIAL Rolf Gattermann ................................................................................ Biologie ist die Lehre vom Leben. Unser 4 Verständnis von den Strukturen und den Abläufen des Lebens wächst derzeit explosionsartig. Die Erkenntnisse der Biologie nehmen in der Öffentlichkeit einen besonderen Stellenwert ein, sei es in gesellschaftlichen Debatten, politischen Diskussionen, rechtlichen Fragestellungen und nicht zuletzt im Zuwachs an Allgemeinwissen. Biologische Innovationen eröffnen neue Berufssparten, Technologien und Forschungsfelder. Das wiederum erfordert neue Methoden in der Lehre und Fortbildung, neue Organisationsformen und neue Dimensionen an Interdisziplinarität. Nicht zu Unrecht sind die Biowissenschaften – mit der Biologie im Zentrum – ein Forschungsschwerpunkt unserer Universität. Der Fachbereich Biologie kann auf eine lange Tradition in Lehre und Forschung zurückblicken. Zu den ältesten Einrichtungen gehören der 1698 gegründete Botanische Garten und das Institut für Zoologie mit seinen Zoologischen Sammlungen aus dem Jahr 1769. In den 50er Jahren des vergangenen Jahrhunderts gingen aus den Botanischen Anstalten die Institute für Geobota- nik und Pflanzenphysiologie hervor. Ende der 60er wurde das Institut für Genetik und in den 80er Jahren das Institut für Mikrobiologie gegründet. Seit 1993 gehört die Abteilung Didaktik der Biologie zum Fachbereich. Die Institute sind in altehrwürdigen, aber dringend sanierungsbedürftigen Gebäuden in der Innenstadt und im »Biologicum I« am Weinbergweg untergebracht. Das im Herbst 2000 fertig gestellte »Biologicum I« gehört weltweit zu den schönsten und komfortabelsten Biologie-Neubauten. Es bietet auf 3 700 m 2 exzellente Arbeitsmöglichkeiten für Pflanzenphysiologen, Genetiker und Biologie-Didaktiker. Am Fachbereich sind seit der politischen Wende drei Professorinnen und zwölf Professoren berufen worden, zwei Berufungen stehen noch aus. Alle Berufenen sind als wissenschaftliche Experten auf ihren Forschungsfeldern national und international anerkannt. Bis zur Wende zählte die Universität 50 bis 100 Biologie-Studenten. Danach gab es einen kontinuierlichen Anstieg auf 500 bis 600 Studierende. Die erfreuliche Entwicklung setzte sich auch in diesem Jahr fort. Zur Zeit bilden wir am Fachbereich über 700 Studentinnen und Studenten, darunter 205 Erstsemester, aus. Dazu kommen Studierende der Fachrichtungen Biochemie, Bioinformatik, Agrarwissenschaften, Geowissenschaften, Lebensmittelchemie und Bioingenieurwesen sowie 65 PromotionsstudentInnen. Halle ist ein gefragter Studienstandort, der eine wissenschaftsorientierte Ausbildung über die gesamte Biologie anbietet: von der subzellulären bis zur biozönotischen Ebene, von der Labor- bis zur Feldbiologie bzw. von der molekularen bis zur organismischen Biologie. Die Belastung ist enorm. Engpässe treten hauptsächlich im Grundstudium auf. Es fehlt an Lehrräumen mit moderner Ausstattung. Das versprochene »Biologicum II« würde die Probleme lösen. Investitionen in die Biologie befördern die Weiterentwicklung der Universität und des Landes. Die im Journal vorgestellten Beiträge beweisen, dass wir uns den Herausforderungen in breiter Front gestellt haben und über Forschung und Lehre das moderne Bild der Biologie mitprägen.
RESISTENZ-STRIPTEASE UND PERIPLASMATISCHE KÜSSE: WIE BAKTERIEN MIT GIFTSTOFFEN FERTIG WERDEN .............................................................................. scientia halensis 4/2002 Fachbereich Biologie Dietrich Heinrich Nies Bakterielle Infektionskrankheiten sind im heutigen Europa (noch?) kein Problem mehr. Die Arbeit der Mikrobiologen in den letzten beiden Jahrhunderten hat uns mit Hygiene-Vorschriften, Massen-Impfungen und den Antibiotika drei mächtige Säulen beschert, mit denen wir erfolgreich pathogene Bakterien in ihre Schranken weisen können. Durch natürliche Evolution, leider beschleunigt durch Missbrauch von Antibiotika, wird uns diese wichtige Waffe jedoch zunehmend aus der Hand geschlagen. Abb. 1: Elektronenmikroskopische Aufnahme von zwei Zellen des Bakteriums Ralstonia metallidurans. Das Bild wurde von Dr. Dieter Neumann vom IPB zur Verfügung gestellt. Antibiotika-resistente Bakterien haben unterschiedliche Möglichkeiten entwickelt, um diese gegen sie gerichteten Giftstoffe zu entschärfen. Einmal wird das Antibiotikum direkt zerstört, indem es chemisch verändert und damit unwirksam gemacht wird. Auch kann der Angriffspunkt der Wirkung des Antibiotikums umgangen oder durch Modifikation so verändert werden, dass das Antibiotikum daran abgleitet. Die Bakterienzelle kann drittens die giftige Substanz hochselektiv wieder nach außen befördern (Efflux) oder gar nicht erst aufnehmen. Die vierte Möglichkeit zeigt uns sogar unser Körper: Wenn wir etwas gegessen haben, das uns abkömmlich war, übergeben wir uns oder haben Durchfall. Dabei werden die Giftstoffe aus unserem Körper herausgeworfen. Auf der Ebene der Zellen ist der vergleichbare Vorgang die multiple Giftresistenz MDR (multiple drug resistance), bei der eine ganze Gruppe chemisch grob miteinander verwandter Stoffe aus der Zelle herausgepumpt wird. Die Entwicklung von MDR in Tumorzellen ist für viele Misserfolge in der Chemotherapie von Krebserkrankungen verantwortlich und auch für das Auftauchen mancher Antibiotika-resistenter Bakterien. So ist beim Blaueiter-Erreger Pseudomonas aeruginosa, der insbesondere geschwächte Menschen befällt, die Hälfte aller Resistenz- Komplikationen auf das MDR-Phänomen zurückzuführen. Antibiotika und andere organische Stoffe sind nun unhandlich, wenn die biochemischen Grundlagen von MDR studiert werden sollen. Schwermetalle sind da viel geeigneter. Viele von ihnen wie z. B. Zink, sind in geringen Konzentrationen wichtige Spurenelemente, aber alle sind sie in hohen Dosen giftig (Artikel Seite 7, Andreesen / Lechner). Schwermetall-Ionen werden meistens durch Bindung oder Efflux entgiftet, so dass Schwermetall-Efflux als biochemisches Modell für Antibiotika-Efflux dienen kann. Auch ist es viel einfacher, mit einer der vielen harmlosen und für uns wichtigen Bakterienarten zu arbeiten als mit einem pathogenen Organismus. Einmalige Anpassungsleistung Unser Untersuchungs-Objekt ist daher der harmlose Boden- und Wasser-Bewohner Ralstonia metallidurans (Abb. 1), der mit einer Vielzahl von Schwermetall-Resistenzen auch an einem hoch belasteten Standort leben kann. Man findet das Bakterium an jedem Punkt der Erde, wo Schwermetalle anderen Organismen das Leben vergällen. Ein gutes Beispiel ist der Ort, von dem R. metallidurans zuerst isoliert worden ist: Ein Dekantationstank einer Zinkfabrik in Belgien. Um herauszufinden, wie unser R. metallidurans diese einmalige Anpassungs-Leistung vollbringt, haben wir und andere Arbeitsgruppen ihm durch genetische Manipulationen eine Schwermetall-Resistenz nach der anderen weggenommen. Dabei wurden die resultierenden Mutanten-Stämme zunehmend sensitiver gegen das jeweilige Schwermetall. Wir nennen diese Vorgehensweise »Resistenz-Striptease«. Momentan steht der Zähler bei gut zwei Dutzend Resistenz-Systemen, die auf verschiedene Weisen ein überlappendes Spektrum von Schwermetallen entgiften, meistens durch Efflux. Die äußerste Abwehrfront, sozusagen der Wintermantel, gegen zu hohe Konzentra- ............................................................................... tionen von Zink, Kobalt und Cadmium ist 5 das Czc-Resistenz-System, über das wir viele Erkenntnisse gewinnen konnten. Czc produziert die CzcCBA-Efflux-Pumpe, die die doppelt positiv geladenen Ionen dieser drei Schwermetalle bei Bedarf aus der Zelle hinausbefördert. Die CzcCBA-Pumpe war der Protopyp für viele später entdeckte Verwandte, von denen die meisten organische Giftstoffe wie Antibiotika durch Efflux entgiften und damit MDR verursachen. Die besondere Stellung des Czc-Systems bei der Entgiftung von Schwermetallen in Zellen von R. metallidurans beruht auf einer hohen Effizienz der CzcCBA-Pumpe. Diese basiert wiederum auf einer ganz besonderen Anordnung der drei Teile dieses Exportsystems. R. metallidurans ist ein Gram-negatives Bakterium, das als solches über eine geschichtet aufgebaute Zellwand verfügt. Wie alle Lebewesen hat es eine Cytoplasma-Membran (CPM), die das Zellinnere vom Außenmedium abgrenzt. Transport-Proteine darin sorgen spezifisch für den Im- oder Export ausgewählter chemischer Substanzen. Gram-negative Bakterien haben eine zweite, äußere Membran zusätzlich zur CPM. Zwischen beiden Membranen liegt der periplasmatische Raum, der die Zellwand des Bakteriums enthält (Abb. 2, Seite 6). Export-Pumpen wie CzcCBA überbrücken alle drei Teile der Gram-negativen Zellwand und können ihre Substrate direkt aus dem Zellinneren nach außen schicken. Die CzcA-Untereinheit steckt in der Cytoplasma-Membran und ist der eigentliche Motor der CzcCBA-Pumpe. Für deren Antrieb nutzt die Zelle eine Art Batterie als Energiequelle: Durch die Veratmung von Nahrung werden positiv geladene Wasserstoff- Ionen, Protonen, über die CPM hinweg nach außen geschafft, was ein elektrisches Feld aufbaut. Die Spannung über der CPM ist nicht so hoch wie in unseren Batterien (z. B. 9 V), kann aber immerhin 0,2 V betragen. CzcA lässt nun den Protonen- Strom nach innen zurückfließen und nutzt diese Energie, um überschüssige Zink-, Kobalt- und Cadmium-Kationen ins Periplasma zu schaffen. Schwermetall-Transporter Im Gegensatz zu anderen Schwermetall- Effluxpumpen werden die Kationen bei CzcCBA aber nicht ins Periplasma freigesetzt, wo sie Unheil anrichten könnten, sondern durch Einsatz der beiden anderen
Seite 1: der Martin-Luther-Universität Hall
Seite 6 und 7: scientia halensis 4/2002 ..........

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