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Die Biolumineszenz von Bakterien tritt vor Allem bei Bakterien die im Salzwasser der Ozeane leben auf. Das wichtigste Bakterium nennt sich Vibrio Fischeri (ehem. Photibacterium Fischeri). Es lässt sich sehr leicht beobachten und auch die Kultur ist nicht sehr aufwendig. Übergießt man einen Salzhering zur Hälfte mit Salzwasser und lässt ihn einige Tage im Kühlschrank stehen, so kann man im Dunkeln die Bildung von Bakterienkolonien beobachten. Eine genaue Versuchsbeschreibung und die Kuturanleitung findet man auf der Internetseite des Mikrobiologischen Gartensdes Institutes für Chemie und Biologie des Meeres der Universität Oldenburg.
Kurzanleitung: Medium für Isolierung von Reinkulturen
um Reinkulturen zu gewinnen, überimpft man mit Hilfe von Zahnstochern leuchtende Pünktchen vom Fisch auf ein Agarmedium mit folgender Zusammensetzung:
Trypton (10g), Hefeextrakt (5g), Glycerin (3 ml), Kochsalz (20 g), Magnesiumsulfat (1g), Tris-Puffer (6 g), Agar (20 g) in 1 l Wasser lösen, pH-Wert auf 7,5 einstellen und 30 min bei 121 °C autoklavieren.
Frau Kerstin Voigt vom Institut für Mikrobiologie der FSU Jena hat mir zwei Bakterienkuluren zur Verfügung gestellt. Das Licht ist in einem abgedunkeltem Hörsaal sehr gut zu sehen. Das Maximum der Leuchtkraft wird nach etwa 2 Tagen erreicht und lässt dann relativ schnell nach.
Alle leuchtenden Bakterien und möglicherweise auch einige Pilze haben ein biochemisch ähnliches Leuchtsystem. Die Emission von Licht ist dabei an die Gegenwart von Reduktionsäquivalenten (NAD(P)H2), eines Aldehyds und Sauerstoff gebunden.
Das obige Schema erklärt natürlich fast nichts. Die wichtigen Fragen zur Chemie bleiben unbeantwortet. Welches Molekül entsteht im angeregten Zustand und stellt den eigentlichen Emitter dar? Mit welcher chemischen Reaktion wird der angeregte Zustand erreicht? Welche Reaktion wird von der Luciferase eigentlich katalysiert? Welche Rolle spielt der Sauerstoff? Reagiert er direkt oder wird er erst zu Wasserstoffperoxid oder einem seiner Derivate reduziert? Von der Seite der Chemie gibt es inzwischen gewisse Vorstellungen zum Mechanismus der Reaktion. Startmaterial ist das Flavin I welches in einer Art en-Reaktion zum Hydroperoxid II oxidiert wird. Diese Bildung von Hydroperoxiden aus ungesättigten Aminen und molekularem Sauerstoff ist bekannt und wurde vor allem bei Carbazolen beobachtet (1).
Das Hydroperoxid II oxidiert anschließend einen langkettigen Aldehyd zur Carbonsäure. Die Oxidation von Carbonylverbindungen (Aldehyde/Ketone) mit Peroxiden oder Persäuren zu Carbonsäuren bzw. Carbonsäureestern wird allgemein als Baeyer-Villinger-Oxidation bezeichnet. Spektroskopische Untersuchungen legen es nahe, dass Hydroxyflavin im angeregten Zustand IV entsteht und unter Lichtemission in den Grundzustand übergeht. Dieser Mechanismus gibt kaum Antworten auf die oben gestellten Fragen. Es kommen eher noch ungelöste Probleme dazu. So ist die Bayer-Villinger-Oxidation schon lange bekannt, aber es wurde noch nie irgend eine Lichtemission beobachtet. Bio- und Chemilumineszenz Reaktionen sind meistens Oxidationsreaktionen, wobei das oxidierte Molekül am Ende den Emitter bildet. Auch bei der Lumineszenz von Bakterien handelt es sich um eine Oxidationsreaktion. Das Erstaunliche daran ist jedoch, dass im entscheidenden Reaktionsschritt (der Bildung des angeregten Zustandes) der Emitter reduziert wird! Das ist zumindest ungewöhnlich und unterstützt meiner Meinung nach nicht den obigen Reaktionsmechanismus.
Trotz der noch ungeklärten Mechanismusfrage und der darauf beruhenden Unsicherheiten werden Leuchtbakterien für analytische Zwecke genutzt. Die Intensität des emittierten Lichtes hängt stark von der Qualität des Lebensraumes der Mikroorganismen ab. So reagieren sie z. B. sehr empfindlich auf Verunreinigungen und Giftstoffe. Man kann also eine Standardsuspension an Leuchtbakterien mit Wasserproben versetzen und den Rückgang der Lichtemission verfolgen. Der Rückgang der Lichtintensität verhält sich proportional zur Menge an Verunreinigungen.
- R. J. S. Beer, L. McGrath, A. Robertson, Nature 164 (1951)219; Soc. (1950) 2118
http://www.microeco.unizh.ch/uni/kurs/bio3_02/docs/berichte/12report01.pdf
Leuchtbakterien(Zuchtanleitung)
http://www.icbm.de/pmbio/leuchtb.htm
Leuchtbakterientest