Das Bakterium Synechococcus passt seinen Stoffwechsel der Tageszeit an: Tagsüber betreibt der in heißen Quellen lebende Einzeller Photosynthese, produziert also mithilfe von Sonnenlicht aus Kohlendioxid Zucker und Sauerstoff. Nachts hingegen fixiert er Stickstoff, das heißt, er wandelt gasförmigen Stickstoff aus der Atmosphäre in stickstoffhaltige, biologisch verwertbare Verbindungen um.
Arthur Grossman und seine Kollegen von der Carnegie Institution in Stanford untersuchten Bakterienmatten aus heißen Quellen im Yellowstone-Nationalpark. Darin leben verschiedene Mikroorganismen zusammen und haben eine effektive Arbeitsteilung entwickelt. Schon länger war bekannt, dass der Einzeller Synechococcus zu denjenigen Cyanobakterien gehört, die in der Gemeinschaft für die Photosynthese zuständig sind. Mit der Stickstofffixierung dagegen brachten Wissenschaftler bislang nur andere, spezialisierten Cyanobakterien in Verbindung.
Die Biologen um Grossman entdeckten nun, dass Synechococcus beide Stoffwechselaufgaben bewältigen kann. Als sie das Genmaterial des Winzlings analysierten, fanden sie zu ihrer Überraschung nicht nur Gene für die Photosynthese, sondern auch solche für die Stickstofffixierung. Dann verfolgten sie 24 Stunden lang die Aktivität der Gene für beide Stoffwechselvorgänge. Dabei stellte sich heraus, dass das für die Photosynthese zuständige Erbgut mit dem Beginn der Dunkelheit seine Arbeit einstellt. Gleichzeitig schalten sich die Gene für die Stickstofffixierung ein. Nachts wird außerdem der so genannte Nitrogenase-Komplex aktiv, ein Enzym-Komplex, der die Stickstofffixierung ermöglicht.
Generell blockieren in einer Zelle die chemischen Vorgänge der Photosynthese den Nitrogenase-Komplex, so dass Photosynthese und Stickstofffixierung in einem Einzeller nicht gleichzeitig stattfinden können. Einige Pflanzen und bestimmte photosynthetisch aktive Cyanobakterien lösen dieses Problem, indem sie die Zellen für Photosynthese räumlich von denen für die Stickstofffixierung trennen. Der Einzeller Synechococcus dagegen trennt beide Stoffwechselaufgaben zeitlich voneinander, erklären Grossman und seine Kollegen.
Arthur Grossman (Carnegie Institution, Stanford) et al.: PNAS, Online-Vorabveröffentlichung, DOI: 10.1073/pnas.0507513103 ddp/wissenschaft.de ? Anna-Lena Gehrmann
