Winzige Bakterie bricht Regel der Biologie

Stickstoff ist ein elementarer Baustein des Lebens – er steckt in Proteinen und der DNA. Die Luft um uns herum besteht zu 78 Prozent aus Stickstoff, doch die meisten Lebewesen können ihn nicht nutzen. Nur bestimmte Bakterien besitzen das Enzym Nitrogenase, das Stickstoff aus der Luft in eine für Pflanzen und Tiere verwertbare Form umwandelt. Dieses Enzym wird jedoch durch Sauerstoff zerstört, weshalb stickstofffixierende Bakterien bisher nur in sauerstofffreien Umgebungen bekannt waren.

Der Ozeanograf Jon Zehr von der University of California, Santa Cruz, stieß in den 1990er Jahren auf ein Rätsel. Bei der Analyse von Meerwasserproben fand er immer wieder die genetische Signatur eines unbekannten stickstofffixierenden Bakteriums – aber unter dem Mikroskop war nichts zu sehen. Jahrelang suchte er vergeblich nach dem winzigen Organismus, der etwa drei Mikrometer groß sein sollte. Erst als er die DNA der Proben genauer untersuchte, fiel ihm auf: Die Bakterien-DNA tauchte stets zusammen mit der einer bestimmten Algenart auf.

Parallel dazu forschte die japanische Algenexpertin Kyoko Hagino an der Alge Braarudosphaera bigelowii. Sie sammelte jahrelang Proben an Stränden und isolierte die Algenzellen unter dem Mikroskop. Als Zehr und Hagino ihre Ergebnisse zusammenlegten, wurde klar: Das Bakterium lebt als Endosymbiont in der Alge – es wohnt in ihren Zellen. Die Alge schützt das Bakterium vor Sauerstoff, während dieses ihr Stickstoff liefert. Das Bakterium hat im Laufe der Evolution die meisten seiner Gene verloren und ist auf die Alge angewiesen.

Diese Entdeckung bricht mit einer grundlegenden Regel der Biologie: Bisher glaubte man, dass komplexe Zellen (Eukaryoten) keine stickstofffixierenden Bakterien beherbergen können. Die Forscher nannten das Bakterium Candidatus Atelocyanobacterium thalassa. Es ist der erste bekannte Fall eines stickstofffixierenden Endosymbionten in einer eukaryotischen Alge. Die Erkenntnis könnte langfristig helfen, Nutzpflanzen wie Reis oder Mais so zu verändern, dass sie selbst Stickstoff fixieren – und damit den Bedarf an umweltschädlichem Kunstdünger senken.