Die Entdeckung arsenbasierter Mikoorganismen

Gerade hat NASA bekannt gegeben, dass ihre Astrobiologie-Abteilung das terrestrische Bakterium mit der Bezeichnung GFAJ-1 entdeckt hat, welcher als erster bekannter Organismus in seiner Biochemie das Element Phosphor durch Arsen ersetzt hat.

Dieser exotische Mikroorganismus wurde im Mono Lake in Kalifornien gefunden. Dies ist ein See, der dreimal salziger als Meerwasser ist und welches hohe Arsenkonzentrationen aufweist.

Bisher dachte man, dass alles Leben hier auf der Erde immer aus Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel, Wasserstoff, Sauerstoff und Phosphor, den sechs Bausteinen lebendiger Materie, aufgebaut war. Die Biomoleküle aller Organismen bestehen zum allergrössten Teil aus diesen sechs Elementen. Doch nun hat man herausgefunden, dass eines dieser essenziellen Elemente durch Arsen ersetzt werden kann.

Dies hat gewaltige Auswirkungen auf unser Verständnis des Lebens hier auf der Erde und auf anderen Planeten.

Das Experiment

Schon seit längerem spekulierten einige Wissenschaftler über die Substitution des Phosphors durch Arsen. Sie wollten diese Vermutung testen und führten folgendes Experiment durch.

Sie erstellten ein selektives Nährmedium, das kein Phosphor aufwies, jedoch hohe Konzentrationen an Arsen beinhaltete. Sie fügten eine Probe aus dem Mono Lake hinzu und schauten, ob bestimmte Mikroorganismen dennoch leben konnten. Normalerweise sollte in dieser lebensfeindlichen Brühe nichts überleben können, doch dieses spezielle Bakterium namens GFAJ-1 überlebte nicht nur, sondern begann sogar stark zu wachsen.

Die phosphorfreie, arsenreiche Umgebung des Experiments war also ideal für GFAJ-1, während es für jede andere Lebensform tödliche Auswirkungen hatte. Durch diese Hürde (das fehlende Phosphor) konnten die Wissenschaftler alle anderen, uninteressanten Mikroorganismen ausschliessen und gezielt (selektiv) mit dem Medium arsenbasierte Mikoorganismen wie GFAJ-1 aufpäppeln, ernähren und wachsen lassen.

Phosphor und Arsen

Phosphor ist limitierend für alles Leben, da es einer der sechs essenziellen Baustoffe für die herkömmliche Form des terrestrischen Lebens ist. ATP (Energievermittler), DNA (Träger des Erbguts), NADH (Elektronentransportmolekül) und viele andere Biomoleküle bestehen aus Phosphor. Alles Leben ist somit auf Phosphor angewiesen - ohne Phosphor ist das bisher uns bekannte Leben nicht möglich. Industriell verwendbares Phosphor ist eine Mangelware auf diesem Planeten, da es nur an wenigen Stellen weltweit gefördert werden kann und da es die Grundlage der modernen Nahrungsversorgung als Bestandteil von Düngemitteln darstellt.

Arsen verhält sich chemisch ähnlich wie Phosphor, da es gleich viele Elektronen in der Valenzschale aufweist. Dies wird dadurch deutlich, dass sich Phosphor und Arsen im Periodensystem in der gleichen Hauptgruppe (untereinander) befinden. Genauso wie Phosphor kann Arsen mit seinen fünf Valenzelektronen ähnliche Bindungskonstellationen eingehen, so dass diese beiden Atome leicht miteinander ersetzt werden können.

Dieses Prinzip der chemischen Ähnlichkeit, die auf ähnliche Elektronenverteilungen in der äussersten Schale basieren, liess schon früh Wissenschaftler darüber spekulieren, ob es nicht auch Leben auf Siliziumbasis gäbe, das statt Kohlenstoff als häufigster Baustein Silizium aufweist. Die Substitution des Kohlenstoffs durch Sililzium wurde bisher jedoch nicht gefunden. Dafür konnte man nun zumindest nachweisen, dass ein anderes der sechs wichtigsten Bausteine des Lebens ersetzt werden kann - und somit das Ersatzprinzip bei den essenziellen Bausteinen des Lebens Tatsache ist.

Die Besonderheit von GFAJ-1

Was ist nun so besonders an GFAJ-1? Es ist die erste nachgewiesene Lebensform, bei der alle Biomoleküle statt Phosphor Arsen verwenden. Seine DNA, sein ATP und all die anderen wichtigen Moleküle sind somit völlig anders aufgebaut als das bisher auf dieser Erde bekannte Leben.

Bisher wusste man nicht, dass DNA mit Arsen statt Phosphor genauso stabil und funktionstüchtig wäre, wie das schon bekannte Original. Welche chemischen Besonderheiten und neuen biologischen Eigenschaften ergeben sich aus dieser Substitution? Beeinflusst der Ersatz das Ablesen der Gene? Verleiht sie dem Organismus neue Möglichkeiten? Wie kommt es mit der Toxizität des Arsens zurecht? Lassen sich diese Organismen für neue bahnbrechende Technologien wie der Abwasserreinigung oder der Phosphorrecyclierung einsetzen?

Es ist als ob wir erstmals mit Hemden aus synthethischen Fasern konfrontiert werden, die unsere bisherigen Kleidungsstücke aus Baumwollfasern und Wolle völlig in den Schatten stellen und mit neuen, genialen Eigenschaften locken.

In diesem Video wird vorgeführt, wie die orangefarbenen Phosphoratome in den Modellen der DNA, des NADH und des ATP durch grüne Arsenatome ersetzt werden, so dass sie die völlig neuen Biomoleküle von GFAJ-1 repräsentieren:

Konsequenzen

Der Nachweis von GFAJ-1 wirft ein faszinierendes neues Licht auf das vielseitige und äusserst anpassungsfähige Leben. Obwohl es sich nachwievor um einen terrestrischen Organismus handelt, zeigt er uns doch auf, welche enorme Verschiedenheit sogar direkt vor unserer Haustüre noch auf Entdeckung harrt.

Genauso wie Gesellschaftsformen, sind auch Mikroorganismen und alles Leben äusseren (naturwissenschaftlich beschreibbaren) Sachzwängen unterworfen, welche den Spielraum der Gesellschaften und Lebewesen diktieren und denen sie sich anpassen und die sie mit etwas Glück sogar überwinden können. Während alle anderen Bakterien krepieren, schafft es GFAJ-1 in einer Umwelt frei von Phosphor zu überleben. Es ist als ob man einer Gesellschaft dabei zuschaut, wenn sie zum ersten Mal ein funktionstüchtiges Flugzeug baut und den Himmel für die Menschheit erobert.

Als weitreichende Konsequenz muss man aus diesem Fund wohl ziehen, dass es nicht die atomare Identität der Bausteine des Lebens ist, welche sie essenziell machen, sondern ihre Anzahl Bindungen, zu denen sie fähig sind und allgemein ihr chemisches Verhalten. Offensichtlich können Elemente mit ähnlicher Bindefähigkeit und ähnlichen chemischen Eigenschaften fast beliebig im Leben ausgetauscht werden, sofern die Umweltbedingungen durch natürliche Selektion die Organismen in eine bestimmte Richtung zwingt. 

Konkret ausgedrückt: Es ist im Prinzip egal, ob es sich um ein Phosphoratom oder um ein Arsenatom handelt, denn beide weisen fast gleiche chemische Eigenschaften auf und können somit die Anforderungen des Lebens erfüllen, wenn die Umwelt die Lebensform dazu nötigt.

Damit kann man fast schon davon ausgehen, dass wir in den Weiten des Alls auf Lebensformen treffen werden, die abhängig von der Art ihrer Umgebung Silizium statt Kohlenstoff oder Selen statt Sauerstoff verwenden.

In was für einer faszinierenden Welt wir doch leben.

Mono Lake in Kalifornien - die Heimat von GFAJ-1