Polytech-CyanoSPO is a chemically rationalized BG11 derivative overcoming precipitation and toxicity for robust cyanobacterial growth

In den stillen Winkeln von Süßwasserseen und Flüssen sind mikroskopisch kleine Pflanzen namens Cyanobakterien ständig am Werk. Diese einzelligen Organismen sind die Motoren der Wasserwelt; sie fangen Sonnenlicht ein, um Energie zu erzeugen und Sauerstoff freizusetzen, ganz ähnlich wie die Bäume an Land. Doch einige dieser winzigen Pflanzen können gefährlich werden. Wenn die Bedingungen stimmen, können sie sich rasant vermehren und dicke, grüne Schleime bilden, die als schädliche Algenblüten bekannt sind. Diese Blüten können anderes Leben im Wasser ersticken und Gifte freisetzen, die Trinkwasserreserven, Haustiere und Menschen bedrohen. Um zu verstehen, wie diese Blüten entstehen, wie sie Toxine produzieren und wie man sie stoppt, müssen Wissenschaftler in der Lage sein, diese Organismen im Labor zu züchten. Sie benötigen eine kontrollierte Umgebung, in der sie die Zellen bei der Teilung beobachten und ihr Verhalten untersuchen können, ohne das Chaos eines natürlichen Sees.

Jahrzehntelang war das Standardrezept zur Fütterung dieser Süßwasser-Cyanobakterien im Labor eine Mischung namens BG11. Es ist eine bekannte Formel, die von Forschern weltweit geschätzt wird und Wasser, Salze sowie essenzielle Nährstoffe wie Eisen, Stickstoff und Phosphor enthält. Die Idee ist simpel: Man stelle den Zellen die Nahrung zur Verfügung, die sie benötigen, und sie würden wachsen. Doch für eine spezifische Gruppe dieser toxischen Cyanobakterien hat dieses Standardrezept völlig versagt. Als Wissenschaftler versuchten, drei bestimmte Arten – Planktothries agardhii, Shackletoniella antarctica und Pseudanabaena catenata – in dieser Standardmischung zu züchten, wuchsen die Zellen nicht nur langsam, sondern sie hörten gänzlich auf zu wachsen. Sie wurden blass, ihre interne Maschinerie brach zusammen und die Kulturen starben ab. Dieses Scheitern schuf einen massiven Engpass. Oh ohne eine Möglichkeit, diese spezifischen toxischen Stämme im Labor zu züchten, konnten Forscher nicht untersuchen, was sie dazu bringt, ihre Gifte freizusetzen oder wann eine Blüte in der Natur vorhergesagt werden kann.

Ein Team von Forschern der Peter der Große Sankt Petersburg Polytechnischen Universität beschloss zu untersuchen, warum diese Standardnahrung fehlschlug, und um eine bessere zu entwickeln. Sie entdeckten, dass das Problem nicht ein Mangel an Nahrung war, sondern vielmehr die Art und Weise, wie diese Nahrung bereitgestellt wurde. In der Standardmischung reagierten bestimmte Inhaltsstoffe miteinander und bildeten feste Klumpen, die die Bakterien nicht essen konnten, während andere Inhaltsstoffe ein chemisches Milieu schufen, das für die Zellen tatsächlich toxisch war. Um dies zu beheben, entwickelten die Wissenschaftler ein neues, modifiziertes Rezept, das sie Polytech-CyanoSPO nannten. Diese neue Mischung erfand keine neuen Nährstoffe; stattdessen tauschte sie vier spezifische Inhaltsstoffe gegen andere Formen derselben Nährstoffe aus, die die Bakterien tatsächlich nutzen konnten.

Die erste Änderung betraf das Eisen, ein lebenswichtiges Mineral, das die Bakterien zur Durchführung der Photosynthese benötigen. Im alten Rezept war das Eisen mit einer Verbindung vermischt, die unter Lichteinfluss schnell zerfiel, was dazu führte, dass das Eisen zu einem festen, rostähnlichen Schlamm wurde, der sich am Boden des Gefäßes absetzte. Die Bakterien konnten es nicht erreichen. Das neue Rezept ersetzte dies durch ein anderes Eisensalz gepaart mit einem speziellen Molekül, das wie ein schützender Käfig wirkt und das Eisen in einem flüssigen, gelösten Zustand hält, sodass die Zellen es leicht greifen können. Die zweite Änderung betraf die Stickstoffquelle. Das alte Rezept verwendete eine Form von Stickstoff, die Natrium mit sich brachte, ein Salz, das die Zellen stressen und ihr inneres Gleichgewicht stören kann. Das neue Rezept tauschte dies gegen eine Form von Stickstoff aus, die mit Kalium gepaart war – einem Mineral, das die Bakterien für ihre Funktion benötigen – und verwandelte die Nahrung so effektiv in eine Quelle sowohl für Energie als auch für essenzielle Mineralien, ohne den Stressfaktor.

Die dritte Anpassung befasste sich mit dem Phosphor, einem weiteren Schlüssel-Nährstoff. In der Standardmischung sorgte die Art und Weise, wie der Phosphor gelöst war, dafür, dass er wahrscheinlich an Calcium und Magnesium haftete und unsichtbare Feststoffe bildete, die die Bakterien nicht aufnehmen konnten. Das neue Rezept verwendete eine andere Form von Phosphor, die das Wasser leicht sauer hielt, wodurch die Bildung dieser Feststoffe verhindert wurde und der Phosphor für die Zellen verfügbar blieb. Schließlich änderte das Team die Quelle eines Spurenmetalls namens Kobalt, indem es eine chemische Form entfernte, die schädlich sein konnte, und sie durch eine sicherere, stabilere Version ersetzte. Diese vier Änderungen waren klein in ihrer Anzahl, aber gewaltig in ihrer Wirkung.

Als die Forscher ihre neue Mischung gegen die alte testeten, waren die Ergebnisse dramatisch. In der Standard-BG11-Mischung überlebten die drei toxischen Arten kaum. Ihre Zahl nahm nicht zu, ihre grüne Farbe verblasste und sie produzierten fast keinen Sauerstoff, ein Zeichen dafür, dass ihre Energietriebwerke ins Stocken geraten waren. Im Gegensatz dazu explodierte das Leben in den Kulturen, die mit der neuen Polytech-CyanoSPO-Mischung gezüchtet wurden. Über einen Zeitraum von vierzehn Tagen war die Zellzahl in der neuen Mischung zehn- bis dreißigmal höher als in der alten. Das Wasser in den neuen Kulturen war so reich an Sauerstoff, dass es mehr enthielt, als die Luft darüber normalerweise lösen könnte – ein klares Zeichen dafür, dass die Bakterien mit voller Geschwindigkeit Photosynthese betrieben.

Die Wissenschaftler maßen auch, was nach dem Experiment im Wasser zurückgeblieben war. In den Kulturen, die scheiterten, war das Wasser immer noch voll mit ungenutztem Stickstoff und Phosphor, was bewies, dass die Bakterien zu krank waren, um es zu essen. In den erfolgreichen Kulturen war das Wasser nahezu leer an diesen Nährstoffen, was zeigte, dass die gesunden Bakterien fast alles Verfügbare konsumiert hatten. Die neue Mischung hielt den pH-Wert des Wassers auch auf einem stabilen, neutralen Niveau, während die alte Mischung zu alkalisch wurde, was die Zellen zusätzlich vergiftete. Durch die Lösung dieser chemischen Rätsel haben die Forscher einen zuverlässigen Weg geschaffen, diese schwierigen, toxischen Stämme zu züchten. Dieser Durchbruch bedeutet, dass Wissenschaftler nun mit Zuversicht diese Organismen im Labor untersuchen können, was die Tür zum Verständnis darüber öffnet, wie sie ihre Toxine produzieren und wie man Trinkwasserreserven vor den Gefahren schädlicher Algenblüten schützen kann.