Archaeen und der Sinn des Lebens
Menschen teilen die Dinge übermäßig gerne in zwei Gruppen ein – unser Ansatz zur taxonomischen Klassifizierung bildet da keine Ausnahme. Das früheste System, das von Linnaeus veröffentlicht wurde, teilte lebende Organismen in Tiere und Pflanzen ein, und in den 1960er Jahren wurde dies durch eine grundlegendere Unterteilung in Prokaryonten und Eukaryonten abgelöst. Es sollte daher nicht überraschen, dass die Idee einer dritten Lebensdomäne – Archaea – auf heftigen Widerstand stieß, als sie in den 1970er Jahren vorgeschlagen wurde.
Eine kurze Geschichte der Archaea: 1977 bis heute
Archaea sind auf der Erde weit verbreitet, doch ist relativ wenig über sie bekannt, abgesehen von den ausgewählten Gruppen von Menschen, die diese faszinierenden Organismen studieren. Seit ihrer „Entdeckung“ im Jahr 1977 durch Carl Woese und seine Gruppe, zu der auch George Fox gehörte, als sie an der Universität von Illinois arbeiteten, wird ihr Geheimnis langsam gelüftet.
Methanogene (methanproduzierende Archaeen) und andere Gruppen von Mikroorganismen, darunter Halobakterien (heute halophile Archaeen genannt) und Thermophile, waren bereits entdeckt worden, aber sie wurden fälschlicherweise dem Bereich Bakterien zugeordnet. Woese fand heraus, dass diese Organismen nicht nur eine Vorliebe für extreme Umgebungen teilen, sondern auch phylogenetisch miteinander verwandt sind. Er war jedoch überrascht, als er feststellte, dass sie sich grundlegend von den Bakterien unterscheiden.
Woese verwendete die kleine Untereinheit rRNA (ribosomale RNA), um einen neuen Stammbaum zu erstellen. Die kleine Untereinheit rRNA ist ein wesentlicher Bestandteil aller sich selbst reproduzierenden Organismen und weist eine bemerkenswerte Sequenzerhaltung auf. Dies machte sie zur perfekten Wahl für ein molekulares Chronometer. Damals war dieser molekulare Ansatz für die Phylogenie neu – frühere Methoden stützten sich stattdessen auf sichtbare Merkmale wie die Zellform oder die Wachstumsbedingungen. Woese fand heraus, dass die Prokaryonten keine einheitliche Domäne sind, sondern aus zwei verschiedenen Gruppen bestehen: Bakterien und Archaeen. Damals wurden sie „Eubakterien“ bzw. „Archaebakterien“ genannt, aber es stellte sich heraus, dass diese beiden Gruppen von Prokaryonten einander nicht ähnlicher sind als die Eukaryonten. Woese schlug vor, dass der Baum des Lebens drei gleichberechtigte Äste hat – Archaea, Bacteria und Eukarya – und dass der Begriff „Prokaryote“ aufgegeben werden sollte, da er keine taxonomische Bedeutung hat. Es überrascht nicht, dass seine Ideen nicht überall auf Gegenliebe stießen.
L-R: EIN SCHLAMMPOOL, WAIOTAPU; CHAMPAGNE-POOL, WAIOTAPU; EINE HEISSE QUELLE IM YELLOWSTONE NATIONAL PARK; SCHWEFELABLAGEN, WAIOTAPU; LADY KNOX GEYSER, WAIOTAPU.
Wie bei jeder neuen Entdeckung gibt es Skeptiker, aber biochemische Daten von Wolfram Zillig unterstützten die von Woese gesammelten 16S rRNA-Daten. Mit der Zeit wurde das neue Gebiet der Archaea von der wissenschaftlichen Gemeinschaft akzeptiert. Das Interesse an Archaeen nahm weiter zu, nachdem die Sequenzierung ganzer Genome in den 1990er Jahren aufkam und die Forscher sich zunehmend von Bakterien oder Eukaryoten abwandten und sich mit diesen exotischen Mikroorganismen beschäftigten. Doch entgegen der landläufigen Meinung sind nicht alle Archaeen extremophil. Man hat sie auch in „normalen“ Umgebungen wie dem Boden und dem Ozean gefunden, und in Umgebungen, in denen sie mit Bakterien zusammenleben. Im menschlichen Darm zum Beispiel sind Archaeen für die Produktion von Methan verantwortlich! Im Gegensatz zu Bakterien wurden jedoch noch nie krankheitserregende Archaeen gefunden.
Seit ihrer Neueinstufung in einen neuen Bereich sind fast 40 Jahre vergangen, aber es werden immer noch viele weitere Archaeenarten entdeckt. Die DNA-Sequenzierung hat sich dramatisch verbessert, so dass Archaeen nicht mehr kultiviert werden müssen, um charakterisiert zu werden. Dies hat zur Entdeckung völlig neuer Stämme geführt. Auf der Grundlage phylogenetischer Daten (16S rRNA und andere Gene) wurde der Bereich Archaea ursprünglich in zwei Gruppen unterteilt: die Euryarchaeota und die Crenarchaeota. Seit 2006 wurden jedoch drei weitere Abstammungslinien entdeckt: Thaumarchaeota, Aigarchaeota und Korarchaeota. Diese drei neuen Gruppen werden häufig mit den Crenarchaeota zum Superstamm TACK“ zusammengefasst (mehr dazu später). In jüngerer Zeit wurde über neue Linien von Nano“-Archaeen berichtet, die sich durch eine kleine Zellgröße mit sehr wenigen Genen auszeichnen. Die ständige Entdeckung neuer Arten und Gruppen macht die Archaea zu einem sehr fließenden Bereich, in dem sich der phylogenetische Baum mit jeder neuen Entdeckung ändert.
TIMELINE DER ARCHAEA VON IHRER ENTDECKUNG BIS HEUTE.
Die Ursprünge des Lebens?
Archaeen mögen auf den ersten Blick wie Bakterien aussehen, und es gibt sicherlich viele oberflächliche Ähnlichkeiten, aber wenn man tiefer gräbt, haben Archaeen mehr mit Eukaryoten gemeinsam. In der Tat ist es heute allgemein anerkannt, dass Archaeen die Vorfahren aller Eukaryoten sind.
Archaeen sind wie Bakterien Einzeller mit einem zirkulären doppelsträngigen DNA-Genom und haben weder eine Kernmembran noch Organellen. Das bedeutet, dass sie von der Zellstruktur her den Bakterien ähnlich sind, obwohl es Unterschiede gibt. Archaeen haben keine bakterienähnliche Zellwand, und ihre Plasmamembran unterscheidet sich von derjenigen der Bakterien und Eukaryoten. Im Inneren der Zelle weisen Archaeen jedoch eine auffällige Familienähnlichkeit mit Eukaryoten auf. Dies gilt insbesondere für die enzymatische Maschinerie, die die genetische Information verarbeitet – DNA-Verpackung und -Replikation, Transkription in RNA und Translation in Proteine. All diese Prozesse sind bei Archaeen und Eukaryonten im Wesentlichen gleich und unterscheiden sich deutlich von denen der Bakterien.
Daraus ergibt sich die Frage: Wenn Archaeen enger mit Eukaryonten als mit Bakterien verwandt sind, wie passen sie dann in den Stammbaum des Lebens?
Der von Woese vorgeschlagene Stammbaum war in drei gleich große Bereiche aufgeteilt, wobei Archaeen und Eukaryonten einen gemeinsamen Vorfahren hatten, der sich bereits von den Bakterien getrennt hatte. Biologen, die sich mit den Ursprüngen des Lebens befassen, sind jedoch kürzlich zu dem Schluss gekommen, dass Eukarya und Archaea keine Schwestergruppen sind. Stattdessen sind Eukaryoten die direkten Nachkommen von Archaeen, und unser lange verschollener Vorfahre gehört zum Superstamm der Archaeen, dem TACK“. Eine der aufregendsten neuen Entdeckungen des letzten Jahres war die Identifizierung eines „fehlenden Bindeglieds“ zwischen Eukarya und Archaea. Sie werden Lokiarchaeota genannt und wurden in der Nähe eines hydrothermalen Schlots an einem Ort gefunden, der als Loki’s Castle im Arktischen Ozean bekannt ist.
Können wir unser Wissen über Archaea nutzen, um die Ursprünge des komplexen Lebens zurückzuverfolgen? Eukaryotische Mikrofossilien lassen sich bis vor 1,8 Milliarden Jahren zurückdatieren, aber biologisches Methan wurde in Gesteinen gefunden, die 3,4 Milliarden Jahre alt sind. Die einzige Quelle für biologisches Methan sind die methanogenen Euryarchaeota, so dass wir wissen, dass Archaeen seit den Anfängen des Lebens auf der Erde existieren. Was das Leben auf anderen Planeten betrifft, so ist es verlockend, darüber zu spekulieren, dass Archaeen auch den Mars besiedelt haben könnten – die Beweise häufen sich, dass das Methan in der Marsatmosphäre einen biologischen Ursprung hat.
DR THORSTEN ALLERS VON DER UNIVERSITÄT NOTTINGHAM ERKLÄRT, WIE DIESE FASZINIERENDEN MIKROORGANISMEN ENTDECKT WURDEN – UND WIE SIE UNS EIGENENEN PLATZ IM LEBENSBAUM ÜBERDENKEN LASSEN.
Woese’s Revolution
Was bedeuten die jüngsten Entdeckungen für uns Menschen? In Anbetracht unseres Wunsches nach Dichotomie sollten wir erleichtert sein, dass der Baum des Lebens auf nur zwei Hauptzweige – Bakterien und Archaeen – zurückgestutzt wurde. Und vor allem sollten wir Carl Woese Anerkennung zollen, dessen taxonomische Revolution es uns ermöglicht hat, unsere Vorfahren bis zu ihren bescheidenen Anfängen als Archaeen zurückzuverfolgen.
UNIVERSALPHYLOGENETISCHE BAUME IN WURZELFORM, DIE DIE DREI DOMÄNE ZEIGT.
HANNAH MARRIOTT & THORSTEN ALLERS
School of Life Sciences, University of Nottingham, Queen’s Medical Centre, Nottingham NG7 2UH, UK
FURTHER READING
Eme, L. & Doolittle, W. F. (2015). Archaea. Curr Biol 25, R845-R875.
Spang, A. & andere (2015). Komplexe Archaeen, die die Lücke zwischen Prokaryoten und Eukaryoten schließen. Nature 521, 173-179.
Williams, T. A. & u.a. (2013). Ein archaeischer Ursprung der Eukaryoten unterstützt nur zwei primäre Domänen des Lebens. Nature 504, 231-236.
Woese C. R., Kandler O. & Wheelis M. L. (1990). Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya. Proc Natl Acad Sci USA 87, 4576-4579.