Meeresschwämme Langweiler als Lehrer

Sie haben keine Augen, so fängt das schon an. Schwimmen können sie nicht, laufen auch nicht – dafür sitzen sie regungslos am Meeresgrund und saugen tagaus tagein Wasser durch ihre porösen Körper. Mutter Natur, so scheint es, hat mit dem Schwamm ein Sinnbild vollkommener Langeweile erschaffen.

Das allerdings ist nicht nur schlicht, sondern evolutionär gesehen auch äußerst erfolgreich. Rund 10.000 Schwammarten soll es weltweit geben, manche werden mehr als 1000 Jahre alt. Und immerhin gedeiht der Stamm der Porifera schon seit 600 Millionen Jahren am Meeresgrund – im Vergleich dazu wirken Dinosaurier, die vor rund 300 Millionen Jahren die Erde bevölkerten und längst wieder ausgestorben sind, wie eine flüchtige Episode der jüngsten Vergangenheit. Und auch die einfachen Schwämme ziehen mittlerweile das Interesse von Forschern auf sich. Das verdanken die Langweiler einer verblüffenden Eigenschaft: Sie leiten Licht.

Es scheint als jagten Reize per Lichtimpuls durch ihre Körper

Ihre porösen Körper sind gespickt mit Tausenden Silikatnadeln, den Spiculae. Bisher hielt man diese gläsernen Strukturen für eine Skelettkonstruktion, die stützt und zugleich vor Feinden schützt. Das war zu kurz gedacht, wie Werner E. G. Müller feststellte. Der Leiter der Arbeitsgruppe für Angewandte Molekularbiologie der Universität Mainz konnte mit Kollegen eine ungeahnte Funktion der Spiculae enträtseln. Schwämme besitzen kein Nervensystem. Aber Müllers Team fand heraus, dass die Glasnadeln ein komplexes Lichtleitnetzwerk bilden: Es scheint, als jagten Reize per Lichtimpuls durch ihre Körper.

Seit Jahrmillionen bewährt sich hier offensichtlich en miniature, was Städte und Gemeinden gerade erst mit Glasfasern aufbauen. Und bei den Untersuchungen von Erbgut und Eiweißstoffwechsel konnten die Mainzer Wissenschaftler bei den Schwämmen all jene Zutaten finden, die Lebewesen eine Lichtverarbeitung ermöglichen.

Die beiden Eiweißmoleküle Luciferase und Luciferin etwa, deren Reaktion auch das Glühwürmchen leuchten lässt. Was der Schwamm nun damit anfängt, hat Müller analysiert. Der Forscher identifizierte eine Art Empfangsanlage: Am Ende einer Spicula treffen die Photonen auf Zellen, in denen lichtempfindliche Moleküle ruhen, die Cytochrome. Mit ihnen beginnt dann die zellulare Kettenreaktion, und am Ende zuckt das Tier zusammen.

„Schwämme können also Licht sowohl aussenden als auch empfangen“, sagt Müller. „Noch wissen wir nicht genau, welche Bedeutung das hat, aber sicher ist, dass diese scheinbar primitiven Organismen eine sehr ausgeklügelte Reizleitung besitzen.“ Es sei durchaus möglich, dass diese Lichteffekte nützliche Bakterien anlocken sollen, damit sie auf dem Schwamm siedeln und Krankheitserreger abwehren.

Aus Meerwasser wird ein lupenreiner Werkstoff: Biosilikat

Die glasklaren Nadeln – manche nur wenige Millimeter lang, andere mannshoch und fingerdick – sind für Müller ein wahrer Schatz. Im Labor wurden strohhalmdicke Silikatgebilde auf einen Laser montiert, und was dann am Ende einer Spicula gemessen wurde, übertraf alle Erwartungen: „Sie leitet Licht besser als jede herkömmliche Glasfaser“, sagt Müller. Noch dazu ist sie ausgesprochen widerstandsfähig, sie lässt sich biegen und verknoten, ohne zu zerbrechen, und wenn man sie antippt, federt sie hin und her. Aber wie kommen sie zustande?

Bekannt ist, dass Schwämme aus Siliziumdioxid-Molekülen einen lupenreinen Werkstoff schaffen, das Biosilikat. Zwar kann auch der Mensch Siliziumdioxid in Glas verwandeln, aber nur mit hohem Druck und großer Hitze. Die Tiere brauchen dagegen nur kühles Meerwasser.

Vor zwei Jahren gelang den Forschern der entscheidende Schritt

Wie genau ihre Glasproduktion gelingt, fand man nun in Mainz heraus. Sie beruht auf zwei Eiweißstoffen: Das eine, Silikatein, heftet einzelne im Meerwasser gelöste Siliziumdioxid-Moleküle aneinander. Dabei hangelt sich das Enzym am zweiten Eiweiß, dem Silintaphin, wie an einem Gerüst entlang. So kann eine Spicula mitunter beachtliche Länge erreichen: Einem Monorhaphis-Vertreter etwa dient eine riesige Drei-Meter-Nadel als Stelze, um an deren Spitze weit aus dem Schlamm zu ragen – ein ziemlicher Aufwand für ein bisschen frisches Wasser.

Die Arbeitsgruppe von Werner Müller kennt für das Biosilikat noch andere Verwendungszwecke, zum Beispiel im Bereich der Zahnmedizin als Beschichtung von Implantaten oder als Füllung. Dafür ist den Mainzer Forschern vor zwei Jahren der entscheidende Schritt gelungen: Sie transferierten die nötigen Erbinformationen aus dem Schwamm in Bakterien.

Schwämme produzieren viele nützliche Stoffe

Mit Hilfe dieser E.coli-Stämme lässt sich die biologische Glassynthese – unabhängig von den Porifera – im Labor durchführen. Dort züchtet Müller jetzt Mini-Spiculae, aber nicht nur die. Molekül für Molekül wächst bestimmten Mikroben nun eine feste Hülle, ein Silikatmantel. „Möglich, dass solche Bakterien künftig als stabile Biosensoren im Körper eingesetzt werden“, sagt Müller. Es sei sogar denkbar, leitende Substanzen in die Hülle einwachsen zu lassen: Umweltreize, die das Bakterium wahrnimmt, ließen sich dann elektrisch ab- und weiterleiten.

Dank seines hohen Wassergehalts eignet sich das Biomaterial bestens, um Prothesen aus Titan oder Keramik zu beschichten. Zugleich sei es ein ideales Substrat, ein perfekter Baugrund. Auch das Enzym Silikatein selbst ist nützlich: In Tierversuchen zeigte sich, dass der Eiweißstoff mit seinem Substrat, der Ortho-Kieselsäure, als Knochenersatz dienen kann. „Die von Bakterienkulturen produzierte Substanz lässt sich wie Knetmasse in Risse füllen“, sagt Müller. Und dort lockt das frisch gebildete Biosilikat sogenannte Osteoblasten an, Zellen, die den Knochen aufbauen.

Ein Kilo Schwamm filtert am Tag ein bis zwei Tonnen Wasser

In Sachen Schwamm ist der Biologe ein Pionier. Bereits in den 1970er Jahren hat Müller in Zusammenarbeit mit japanischen Forschern den Wirkstoff Ara-A aus Schwämmen extrahiert und im Labor nachgebaut. In Fernost ist die Substanz heute als Herpes-Mittel käuflich. Neue Arzneimittel sind gesucht: Die Forschung hat bessere Methoden zur Hand, die „Meeresapotheke“ ist en vogue, und Schwämme gelten dafür gerade wegen ihrer schlichten Lebensweise als interessant: Wer regungslos am Meeresboden verweilen muss, verteidigt sich gegen Feinde mit der chemischen Keule.

Tatsächlich bergen ihre einfachen Tierkörper eine Fülle von Substanzen, darunter auch Antibiotika, die verhindern, dass Bakterien die Außenfläche überwuchern. Ein Kilogramm Schwamm pumpt und filtert am Tag ein bis zwei Tonnen Wasser. Schon ein einziger Milliliter enthält Hunderttausende Bakterien – mitsamt potentiell schädlichen Keimen. Eine solche Erreger-Fracht überlebt ein Organismus nur, wenn ihm eine ganze Reihe von Abwehrstoffen zur Verfügung steht.

Ein zauberhaftes Forschungsprojekt

Heute ist bekannt, dass viele dieser komplex gebauten Biomoleküle auch für den Menschen von Nutzen sind. Manche hemmen nicht nur Entzündungen, sondern sogar das Tumorwachstum oder stoppen Aids-Viren und werden derzeit in klinischen Studien getestet.

Das begeistert natürlich einen Porifera-Kenner wie Werner Müller. Er ist Chef des deutschen Kompetenznetzes Biotecmarin, das Wissenschaftler vereint, die an verschiedenen Forschungseinrichtungen nach neuen Wirkstoffen aus den Ozeane n fahnden. Aber nach 30 Jahren Forschung gilt Müllers Augenmerk nun dem Biosilikat der Schwämme.

Der Biologe findet die sessilen Tiere unter dem Eispanzer des Baikalsees, vor der chinesischen Küste und in Kroatien. Ein besonders zauberhaftes Forschungsobjekt lebt im Pazifik vor Japan: Euplectella. Dieser Tiefseeschwamm bildet einen ebenso filigranen wie stabilen Glaskäfig, in dem symbiotische Garnelen hausen. Sie schlüpfen als Larven hinein und bleiben zeitlebens im Hohlraum eingesperrt, wenn sie heranwachsen. Das qualifiziert Euplectella samt seinen Gästen für eine Verwendung weit jenseits der Forschung: In Japan ist das Skelettgeflecht, auch „Venus Blumenkorb“ genannt, ein beliebtes Hochzeitsgeschenk.