26. Mai. 2020
Die Brau­nal­ge Fu­cus ve­si­cu­lo­sus wächst an fel­si­gen Küs­ten wie hier auf Hel­go­land. Der Zell­wand­zu­cker Fu­co­idan ist da­bei be­son­ders wich­tig um ge­gen die Ge­zei­ten und Wel­len zu be­ste­hen.

Die Brau­nal­ge Fu­cus ve­si­cu­lo­sus wächst an fel­si­gen Küs­ten wie hier auf Hel­go­land. Der Zell­wand­zu­cker Fu­co­idan ist da­bei be­son­ders wich­tig um ge­gen die Ge­zei­ten und Wel­len zu be­ste­hen.

Brau­nal­gen spei­chern gro­ße Men­gen an Koh­len­di­oxid und ent­zie­hen das Treib­haus­gas so der At­mo­sphä­re. Der mi­kro­bi­el­le Ab­bau ab­ge­stor­be­ner Brau­nal­gen­res­te und die da­mit ver­bun­de­ne Rück­ga­be die­ses ge­spei­cher­ten Koh­len­di­oxids in die At­mo­sphä­re dau­ert län­ger als bei an­de­ren Mee­res­pflan­zen. For­schen­de des Max-Planck-In­sti­tuts für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie, des MARUM – Zen­trum für Ma­ri­ne Um­welt­wis­sen­schaf­ten der Uni­ver­si­tät Bre­men und wei­te­rer In­sti­tu­te ha­ben sich den Ab­bau-Pro­zess ge­nau an­ge­se­hen und sind da­bei auf hoch­spe­zia­li­sier­te Bak­te­ri­en ge­sto­ßen, die über hun­dert En­zy­me nut­zen müs­sen, um die Al­gen klein­zu­krie­gen.

Man kann sie schön fin­den oder auch nicht, aber fast je­der kennt sie: die Brau­nal­ge Fucus vesiculosus, auch Bla­sentang ge­nannt. Sie wächst fast über­all ent­lang der deut­schen Nord- und Ost­see­küs­te. An­de­re Brau­nal­gen wie Macrocystis bil­den ent­we­der gan­ze Wäl­der ent­lang der Pa­zi­fik­küs­te oder so wie Sargassum Al­gen­blü­ten, de­ren Ag­gre­ga­te den At­lan­tik von West nach Ost be­de­cken. Ein pro­duk­ti­ves Öko­sys­tem, das man­che Öko­lo­gin­nen und Öko­lo­gen als ma­ri­nes Ge­gen­stück zu den Re­gen­wäl­dern an Land se­hen. Durch Brau­nal­gen wer­den hohe Men­gen an Koh­len­di­oxid ge­spei­chert, da­durch sind sie ein wich­ti­ger Teil des glo­ba­len Koh­len­stoff­kreis­laufs.

An­dre­as Si­chert vom Max-Planck-In­sti­tut für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie wid­me­te sich in sei­ner Dok­tor­ar­beit der Fra­ge, war­um Brau­nal­gen ein so gu­ter Koh­len­stoffspei­cher sind: „Haupt­be­stand­teil der Al­gen­bio­mas­se sind ihre di­cken Zell­wän­de – ein en­ges Netz­werk aus Ei­wei­ßen und lang­ket­ti­gen Zu­ckern. Wenn die Alge stirbt, wis­sen wir kaum, was mit die­ser Bio­mas­se im Meer ei­gent­lich pas­siert, zum Bei­spiel wel­che Be­stand­tei­le schnell oder lang­sam ab­ge­baut wer­den.“

Fest und flexibel
Brau­nal­gen sind da­bei an den rau­en Le­bens­raum der At­lan­tik­küs­ten an­ge­passt. Die Ge­zei­ten, Wind und Wel­len for­dern von den Be­woh­nern die­ser Ge­gend be­son­de­re Fä­hig­kei­ten. So ha­ben die Brau­nal­gen eine spe­zi­el­le Zell­wand­struk­tur ent­wi­ckelt. Die­se ist gleich­zei­tig fest und fle­xi­bel und er­mög­licht es der Pflan­ze, den Wel­len und den Ge­zei­ten­strö­mun­gen er­folg­reich stand­zu­hal­ten. Ein wich­ti­ger Be­stand­teil der Zell­wän­de ist da­bei der lang­ket­ti­ge Zu­cker Fu­co­idan, der rund ein Vier­tel des Tro­cken­ge­wichts ei­ner Brau­nal­ge aus­macht. Fu­co­idan kann ver­mut­lich, ähn­lich ei­nem Gel, den Was­ser­ge­halt der Zell­wand re­gu­lie­ren und die Brau­nal­gen so bei Ebbe vor dem Aus­trock­nen schüt­zen.

Wel­che Rol­le die­ser Zu­cker Fu­co­idan im lang­wie­ri­gen Ab­bau­pro­zess der Brau­nal­gen spielt, un­ter­such­te An­dre­as Si­chert zu­sam­men mit Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­lern der For­schungs­grup­pe Ma­ri­ne Gly­ko­bio­lo­gie des Max-Planck-In­sti­tuts für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie und des MARUM – Zen­trum für Ma­ri­ne Um­welt­wis­sen­schaf­ten der Uni­ver­si­tät Bre­men.  Au­ßer­dem be­tei­ligt wa­ren For­schen­de des Mas­sa­chu­setts In­sti­tu­te of Tech­no­lo­gy, der Uni­ver­si­tät Greifs­wald und der Uni­ver­si­tät Wien. "Man wuss­te be­reits, dass Fu­co­idan lang­sa­mer von mi­kro­bi­el­len Ge­mein­schaf­ten ab­ge­baut wird als an­de­re Al­gen­zu­cker und da­her als Koh­len­stoff­sen­ke wir­ken könn­te", sagt An­dre­as Si­chert, ei­ner der bei­den Er­st­au­to­ren der Stu­die, die jetzt im Fach­ma­ga­zin Nature Microbiology er­schie­nen ist. "In der Re­gel sind lang­ket­ti­ge Zu­cker eine be­lieb­te Nah­rung für Bak­te­ri­en, aber war­um ge­ra­de Fu­co­idan be­son­ders schwer ver­dau­lich ist, war un­klar."

Nur Spezialisten verdauen diesen Zucker
Bis­lang wa­ren die Stoff­wech­sel­we­ge zum Ab­bau von Fu­co­idan nur teil­wei­se be­kannt, es gab aber Hin­wei­se auf die Be­tei­li­gung ei­ner ho­hen An­zahl von En­zy­men, die ent­we­der in­ner­halb ei­ner mi­kro­bi­el­len Ge­mein­schaft ver­teilt oder in ein­zel­nen hoch­spe­zia­li­sier­ten Bak­te­ri­en un­ter­ge­bracht sind. Für die Un­ter­su­chung des Ab­baus von Fu­co­idan ver­folg­ten die For­schen­den aus Bre­men letz­te­re Theo­rie und ana­ly­sier­ten neu iso­lier­te Bak­te­ri­en der Gat­tung Lentimonas, die zum Stamm der Ver­ru­co­mi­cro­bia zäh­len. Al­lein die Iso­la­ti­on die­ser Lentimonas Bak­te­ri­en war ner­ven­auf­rei­bend. "An­fangs hat­te ich über tau­send Iso­la­te, doch am Ende konn­te nur ei­nes Fu­co­idan wirk­lich ab­bau­en", er­in­nert sich Chris­to­pher H. Cor­zett vom Mas­sa­chu­setts In­sti­tu­te of Tech­no­lo­gy, ne­ben Si­chert Er­st­au­tor der Stu­die.

"Wir ha­ben bei die­sen Bak­te­ri­en ei­nen be­mer­kens­wert kom­ple­xen Weg für den Ab­bau von Fu­co­idan ent­deckt, bei dem etwa hun­dert En­zy­me ver­wen­det wer­den, um den Zu­cker Fu­co­se frei­zu­set­zen – ei­nen Be­stand­teil von Fu­co­idan", sagt Jan-Hen­drik Hehe­mann, Lei­ter der For­schungs­grup­pe Ma­ri­ne Gly­ko­bio­lo­gie. "Hier­bei han­delt es sich wahr­schein­lich um ei­nen der kom­pli­zier­tes­ten bis­her be­kann­ten bio­che­mi­schen Ab­bau­we­ge für ei­nen Na­tur­stoff." Fu­co­se wird an­schlie­ßend über ei­nen iso­lier­ten Be­reich in den Bak­te­ri­en ab­ge­baut. Das von ei­ner ei­weiß­hal­ti­gen Hül­le um­ge­be­ne Ab­teil schützt die Zel­le vor dem to­xi­schen Ne­ben­pro­dukt Lac­ta­de­hyd. "Die Not­wen­dig­keit ei­ner solch kom­ple­xen Zer­set­zung zeigt, dass Fu­co­idan für die meis­ten Mee­res­bak­te­ri­en un­ver­dau­lich ist, und nur durch hoch­spe­zia­li­sier­te Bak­te­ri­en im Oze­an ef­fek­tiv ab­ge­baut wer­den kann", sagt Hehe­mann. "Das kann den lang­sa­men Ab­bau von Brau­nal­gen in der Um­welt er­klä­ren und lässt ver­mu­ten, dass Koh­len­stoff im Oze­an durch Fu­co­idan re­la­tiv lan­ge ge­bun­den wird."

Potenziell pharmakologisch wirksam
Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler sind auch des­halb an En­zy­men für Fu­co­idan in­ter­es­siert, weil es ein po­ten­zi­ell phar­ma­ko­lo­gisch wirk­sa­mes Mo­le­kül ist, wel­ches ähn­li­che Wir­kung wie He­pa­rin in der Blut­ge­rin­nung auf­zeigt. "En­zy­me, die spe­zi­fisch Fu­co­idan frag­men­tie­ren und so­mit hel­fen, des­sen Struk­tu­ren auf­zu­klä­ren, sind von gro­ßem wis­sen­schaft­li­chem In­ter­es­se, um die Wir­kung von Fu­co­idan bes­ser zu ver­ste­hen und die­se ma­ri­nen Zu­cker für bio­tech­no­lo­gi­sche An­wen­dun­gen zu er­schlie­ßen", sagt der be­tei­lig­te Greifs­wal­der Mi­kro­bio­lo­ge Tho­mas Schwe­der.


Quelle: MARUM, Zentrum für marine Umweltwissenschaften