Die Mikrobiota extremer Umgebungen: Extremophile

Extreme Umgebungen sind auf der ganzen Welt verbreitet und umfassen hydrothermale Quellen, die sich beispielsweise in der Nähe vulkanisch aktiver Gebiete oder ozeanischer Bergrücken befinden, Gletscher und Permafrost, hyper-salzige und saure Lebensräume sowie Umgebungen, die Strahlung oder hohem Druck ausgesetzt sind. Die biologische Vielfalt der Mikroorganismen in diesen Lebensräumen ist zwar begrenzt, aber durch Arten aus allen Bereichen des Lebens gekennzeichnet, die Strategien entwickelt haben, um in diesen Umgebungen zu leben, die ansonsten unbewohnbar wären (Shu e Huang, 2022).

Diese Organismen werden als extremophil bezeichnet: Wie das Suffix “-philia” aus dem Griechischen “Freundschaft, Liebe” andeutet, benötigen extremophile Organismen eine oder mehrere extreme Bedingungen (Grenzwerte für Temperatur, pH-Wert, Salzgehalt), um zu wachsen; im Gegensatz dazu wachsen extremophile Organismen unter normalen Bedingungen, können aber auch strengere physikalisch-chemische Werte aushalten.

Die Untersuchung von Extremophilen kann in mehreren Bereichen interessant sein (Raddadi et al., 2015):

Biomedizinisch, durch die Identifizierung von Molekülen oder Enzymen, die diese Organismen nutzen, um in lebensfeindlichen Umgebungen zu überleben, z. B. bei der Herstellung von biokompatiblen Biokunststoffen;
Pharmakologisch, durch die Entwicklung von Verbindungen, die unter bestimmten Temperatur- oder pH-Bedingungen funktionieren, wie z. B. Antibiotika oder Moleküle zur Krebsbekämpfung;
in der Biotechnologie durch die Gewinnung von Enzymen, die bei hohen Temperaturen funktionieren, z. B. die DNA-Polymerase, die für eine der gängigsten Labortechniken, die PCR, verwendet wird;
Für die Herstellung von Biokraftstoffen, da mehrere Produktionsschritte hohe Temperaturen und extreme pH-Werte erfordern, z. B. die Herstellung von Biodiesel aus Algen, die unter hohen Salzgehalten wachsen können;
Lebensmittel, durch die Extraktion von Molekülen, die als Zusatzstoffe wirken, wie das Antioxidans β-Carotin, oder von thermostabilen Enzymen für die Lebensmittelverarbeitung, z. B. die Zugabe des Enzyms Laktase für die Herstellung von laktosefreien Milchprodukten für Laktoseintolerante.

Extremophile Cyanobakterien

Das Milieu des Euganeischen Schlamms kann aufgrund der Temperatur des für den Reifungsprozess verwendeten Thermalwassers, das zum Wachstum eines grünen Biofilms auf der Oberfläche des Schlamms führt, ebenfalls als “extrem” bezeichnet werden. Zu den Mikroorganismen, die in dieser charakteristischen Umgebung wachsen, gehören Cyanobakterien, Bakterien, die selbst extreme Umgebungen tolerieren können.

Cyanobakterien sind an das Leben in extremen Umgebungen angepasst, die durch physikalische oder chemische Parameter gekennzeichnet sind, die für die meisten lebenden Organismen unerschwinglich wären: niedrige Temperaturen (-2 bis 20 °C), hohe Temperaturen (über 45 °C), Säuregehalt oder Alkalinität (pH-Wert unter 4 oder über 8), hoher Salzgehalt, hohe UV-Strahlung, hohe Schwermetallkonzentrationen oder geringe Verfügbarkeit von Nährstoffen. Schließlich ist zu beachten, dass einige natürliche Umgebungen mehrere extreme Parameter gleichzeitig aufweisen, z. B. sind einige hypersaline Seen auch stark alkalisch und heiße Quellen (mit hohen Temperaturen) können sauer oder alkalisch sein. Organismen, die in solchen Umgebungen wachsen, tolerieren mehr als einen Extremfaktor, weshalb sie als polyextremophil bezeichnet werden (Waditee-Sirisattha et al., 2022).