Wissenschaftlern in Spanien ist es gelungen, Bakterien zu entwickeln, die Giftstoffe aus durch Krieg verseuchten Böden unschädlich machen können. Die Forschungsergebnisse könnten den Kampf gegen toxische Rückstände der Rüstungsindustrie entscheidend voranbringen.
Spaniens Nationales Biotechnologiezentrum des CSIC berichtet in der Zeitschrift "Metabolic Engineering" von einem spektakulären Forschungserfolg. Mehrere internationale Team hatten seit Jahren - zunächst vergeblich - versucht ein Bakterium dazu zu bringen, Giftstoffe der Rüstungsindustrie nicht nur zu tolerieren, sondern in etwas Nutz- oder gar Essbares zu verwandeln.
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Dabei geht es um durch Dinitrotoluole oder DNT verseuchte Böden. Dinitrotoluole sind eine synthetische Verbindungen, die mit Trinitrotoluolen, besser bekannt als TNT, verwandt sind. Es kommt in der Natur nicht vor, sondern ist ein Produkt der Rüstungsindustrie und bleibt in konfliktverseuchten Böden jahrzehntelang bestehen. Natürliche Ökosysteme können diese Giftstoffe nicht entfernen.
Als Bakterium nutzten die Wissenschaftler "Pseudomonas putida", einen Mikroorganismus, der für seine Fähigkeit bekannt ist, in feindlichen Umgebungen zu überleben. Das Team unter der Leitung von Víctor de Lorenzo hatte das Bakterium zuvor genertisch verändert und mit der für den Abbau von DNT erforderlichen Genen ausgestattet. Doch diese Gene reichten nicht aus: Das Bakterium konnte in Gegenwart der toxischen Verbindung nicht wachsen.
Die Strategie bestand darin, es zu zwingen, sich anzupassen
Die Methode, mit der das Problem gelöst wurde, war auf ihre Art brutal in ihrer Einfachheit. Das Team setzte die Bakterien schrittweise subletalen Dosen des Giftstoffes aus - und zwar in einer Umgebung, in der herkömmliche Nährstoffe entfernt wurden. Die Idee war, Mutationen zu erzwingen, die es dem Bakterium nicht nur ermöglichen würden, in dieser Umgebung zu überleben, sondern auch die giftige Verbindung zur einzig möglichen Kohlenstoff- und Stickstoffquelle zu machen.
"Nach einem Jahr der Kultivierung ist es uns gelungen, die Bakterien dazu zu bringen, Dinitrotoluole als einzige Nährstoffquelle zu assimilieren", erklärt David Rodríguez-Espeso, Forscher am CNB-CSIC und einer der Autoren der Studie. Die Endprodukte des Prozesses sind Zellbiomasse, Kohlendioxid und Wasser. Das bedeutet, dass die Verbindung und die toxischen Zwischenprodukte, die während ihres Abbaus entstehen, vollständig beseitigt werden.
Eine anschließende genetische Analyse ergab Veränderungen in mehr als 50 Genen, die mit der Reaktion auf chemischen Stress und DNA-Reparaturmechanismen zusammenhängen. Diese Veränderungen ermöglichten es den Bakterien, die toxischen Derivate zu tolerieren, die auftreten, bevor die Dinitrotoluole vollständig abgebaut sind, und genau hier waren frühere Versuche gescheitert.
Warum frühere Studien gescheitert sind
Vor dieser Arbeit hatte die Forschung zum bakteriellen Abbau von DNT oder Dinitrotoluolen das genetische System von Burkholderia-Bakterien identifiziert, die in DNT-kontaminierten Böden wachsen können. Niemand war jedoch in der Lage, dieses Verhalten in einem anderen Organismus so effektiv nachzubilden , dass eine echte Anwendung vorgeschlagen werden konnte.
"Sie waren nicht in der Lage, ein Bakterium zu finden, das Dinitrotoluole als einzige Kohlenstoff- und Stickstoffquelle nutzt", so De Lorenzo. Der Schlüssel war, dass der Prozess eine langsame Methodik erforderte, die keine kurzfristigen Ergebnisse brachte. Frühere Ansätze suchten nach Abkürzungen, die das Problem nicht zuließ.
Das jetzt veröffentlichte Ergebnis beantwortet diese Frage: Die Bakterien brauchten genetische Veränderungen, die nicht durch konventionelle Gentechnik eingeführt werden konnten, sondern sich erst durch adaptive Evolution im Labor entwickeln mussten.
Dekontaminieren, was der Krieg hinterlassen hat
Durch Sprengstoffrückstände kontaminierte Böden sind eines der hartnäckigsten Umweltprobleme in Nachkriegsgebieten. Dinitrotoluole und verwandte Verbindungen reichern sich in der Umgebung von Militäranlagen, verlassenen Waffenfabriken und auf Schlachtfeldern an, was toxische Folgen für die lokalen Ökosysteme und die in der Nähe lebenden Menschen hat.
Derzeitige Dekontaminationslösungen sind meist physikalisch oder chemisch, kostspielig und schwer in großem Maßstab zu realisieren. In der synthetischen Biologie werden seit Jahren mikrobielle Alternativen erforscht, aber es wurden bisher nur wenige konkrete Fortschritte erzielt.
Diese Lösung, die bisher ausschließlich unter Laborbedingungen entwickelt wurde, ist noch nicht vor Ort eingesetzt worden. Die Forscher sind diesbezüglich bisher zurückhaltend. Aber sie haben gezeigt, dass es möglich ist, Mikroorganismen zu entwickeln, die Giftstoffe abbauen, die die Natur allein kaum verarbeiten kann.