»Tales of the Tiny« – Secrets Preserved

Seit rund 3,5 Milliarden Jahren besiedeln Bakterien nahezu jeden Lebensraum der Erde – von Tiefsee-Hydrothermalquellen bis zum Polareis. Ihre außergewöhnliche Anpassungsfähigkeit zeugt von einer besonderen Form »zellulärer Intelligenz« und von einem enormen biotechnologischen Potenzial.

Lange Zeit galten Mikroorganismen vor allem als Bedrohung. Mit der zufälligen Entdeckung des Antibiotikums Penicillin durch Alexander Fleming hat sich diese Sichtweise grundlegend verändert: Seither ist klar, dass Mikroben auch starke Verbündete des Menschen sein können. Diese Erkenntnis war der Ausgangspunkt für weltweite Initiativen, mikrobielle Ressourcen systematisch zu sammeln und zu erforschen – die Basis der großen Biobanken von heute.

Am Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME bewahren wir derzeit mehr als 130 000 Bakterienstämme in Kryolagern auf. Jeder einzelne Stamm kann der Schlüssel zu neuen Naturstoffen, innovativen Wirkstoffen und nachhaltigen biotechnologischen Lösungen sein.

Mit »Tales of the Tiny« laden wir Sie ein, diese Vielfalt zu entdecken. Gemeinsam gehen wir Fragen nach wie:

• Welche Naturstoffe werden von unseren Mikroorganismen gebildet?
• Welche Anwendungen prägen schon heute verschiedene Branchen?
• Welches ungenutzte Innovationspotenzial steckt noch in ihnen – für Pharmazie, Landwirtschaft, Umwelttechnologien und die industrielle Biotechnologie?

Begleiten Sie uns auf einer Reise in die unsichtbare Welt der Mikroorganismen – und entdecken Sie mit uns die Lösungen von morgen.

An einem kalten Herbsttag im Jahr 2018 machten sich zwei Doktoranden, im Bergwerkswald bei Gießen auf Schatzsuche. Die Geschichte des Waldes ist eng mit dem historischen Eisen- und Manganbergbau verbunden. Doch statt Erz suchten Markus Oberpaul und Stephan Brinkmannnach einem ganz anderen Schatz: Mikroorganismen, die im Boden verborgen leben. 

Denn Mikroorganismen haben uns bereits Antibiotika, wertvolle Enzyme und zahlreiche weitere nützliche Stoffe geliefert. Und dennoch ist ein großer Teil der mikrobiellen Vielfalt bis heute kaum erforscht,insbesondere die Mikroorganismen, die sich im Labor nur schwer kultivieren lassen.

Im Mittelpunkt der Suche der beiden Forschenden standen Acidobacteriota, kurz Acidos eine im Boden weit verbreitete, bislang jedoch wenig untersuchte Bakteriengruppe. An der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU), im siebten Stock der alten Chemie kultivierten sie einzelne Bakterienzellen in winzigen Tröpfchen. In dieser geschützten Mikroumgebung sind langsam wachsende Mikroorganismen vor der Konkurrenz durch schneller-wachsende Mikroorganismen geschützt.

Der Aufwand hat sich gelohnt:

Einer der gewonnenen Stämme, FHG110511, wird heute in der Biobank des Fraunhofer IME aufbewahrt. Als lebende mikrobielle Ressource bleibt er für neue Fragestellungen verfügbar und kann erneut kultiviert, analysiert und mit neuen Methoden untersucht werden.

Das ist besonders wertvoll, denn viele Acidos wachsen nur langsam. FHG110511 hingegen gedeiht unter Laborbedingungen überraschend gut, eine wichtige Voraussetzung, um sein Potenzial gezielt zu erforschen. Hier zeigt sich auch der besondere Wert einer lebenden Biobank: Sie bewahrt nicht nur genetische Informationen, sondern stellt auch kultivierbare Mikroorganismen für die Forschung bereit.

Wenn sich bislang wenig untersuchte Mikroorganismen kultivieren lassen, wird ihre verborgene Chemie zugänglich. Sie können ungewöhnliche Moleküle und Enzyme bilden sowie besondere Anpassungsstrategien entwickeln, Eigenschaften, die langfristig für industrielle Prozesse oder Umwelttechnologien relevant sein könnten.

Die Naturstoffgruppe am Fraunhofer IME untersucht, welche Moleküle die Mikroorganismen der Biobank produzieren und wie sich ihre Stoffwechselprodukte unter unterschiedlichen Bedingungen verändern. Dafür verbindet das Team Kultivierungsexperimente mit chemischer Analytik, Genomanalysen und Bioaktivitätstests, um Naturstoffpotenziale gezielt aufzuspüren und weiter zu erforschen.

Bei den untersuchten Acidos zeigte sich dieses Potenzial besonders deutlich: Die Zugabe von Tryptophan, einer Aminosäure und damit Baustein von Proteinen, veränderte das Stoffwechselprofil des Bakteriums deutlich. Dabei wurden Pflanzenhormone sowie weitere kleine Moleküle nachgewiesen. Einige Extrakte aus den Kulturen zeigten zudem eine antifungale Wirkung.

Das sind vielversprechende Ansatzpunkte für die Forschung, aber noch keine bestätigten Anwendungen. Die detaillierten wissenschaftlichen Ergebnisse sind in dieser Studie beschrieben:

Tryptophan-driven metabolomic shift in Acidobacteriaceae reveals phytohormones and antifungal metabolites | mSystems

Die Schatzsuche geht weiter: Das Genom von FHG110511 enthält Hinweise auf weitere Biosynthesewege,und damit auf Moleküle, die es noch zu entdecken gilt!

Ein Genom ist eine Schatzkarte. Ein lebender Stamm lässt uns weitergraben!

Stellen Sie sich eine Bibliothek vor – doch statt Büchern befinden sich in den Regalen lebende Organismen, von denen jeder eine einzigartige biologische Geschichte in sich trägt. Genau das ist im Wesentlichen eine mikrobielle Sammlung. Und wie eine Bibliothek hat sie nur dann einen echten Wert, wenn ihre Inhalte sorgfältig bewahrt, gepflegt und für Forschung und Wissenschaft zugänglich gemacht werden.

Unsere Sammlung wurde über mehr als 80 Jahre gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie aufgebaut. Heute umfasst sie mehr als 130.000 Bakterien- und Pilzstämme, die aus einigen der faszinierendsten Lebensräumen unseres Planeten stammen: vom Meeresboden über Tiefsee-Korallenriffe und Waldböden bis hin zu Flechten, Schwämmen, Seeanemonen und Insekten. Jeder einzelne Stamm könnte der Schlüssel zu einem neuen Medikament, nachhaltigeren Pflanzenschutz oder innovativen biotechnologischen Verfahren sein.

Doch das Sammeln ist nur der Anfang. Die eigentliche Herausforderung besteht darin, Mikroorganismen über Jahrzehnte hinweg lebendig, genetisch stabil und frei von Kontaminationen zu erhalten. Denn werden sie nicht unter den richtigen Bedingungen konserviert, können sie genau jene Eigenschaften verlieren, die sie für die Forschung so wertvoll machen.

Vier Methoden – ein Ziel

Um dieses biologische Erbe zu bewahren, setzen wir auf vier sich ergänzende Konservierungsmethoden.

• Kryokonservierung (-150 bis -196 °C): Unser Goldstandard für die langfristige Lagerung. Bei Temperaturen in flüssigem Stickstoff kommen biologische Prozesse nahezu vollständig zum Stillstand.

• Ultratiefkühllagerung (-80 °C): Ermöglicht den schnellen Zugriff auf Arbeitsstämme für die tägliche Forschung.

• Gefriertrocknung (Lyophilisation): Ähnlich wie bei löslichem Kaffee wird den Kulturen schonend Wasser entzogen. So entstehen stabile Präparate, die über viele Jahre in versiegelten Glasampullen gelagert werden können. Unsere Sammlung umfasst derzeit mehr als 20.000 solcher Ampullen.

• Konservierung in sterilem Boden: Besonders geeignet für sporenbildende Bodenbakterien, deren natürlicher Lebensraum auf einfache Weise nachgebildet wird.

Jede Methode hat ihre eigenen Stärken. Erst ihre Kombination ermöglicht eine sichere und langfristige Erhaltung unterschiedlichster Mikroorganismen.

Sicherheit durch Redundanz

Kein technisches System ist vollkommen. Deshalb wird jeder Stamm mehrfach konserviert – mit unterschiedlichen Verfahren und an verschiedenen Standorten. Insgesamt umfasst unsere Sammlung heute mehr als 700.000 Ampullen. Diese bewusste Redundanz stellt sicher, dass wertvolle biologische Ressourcen auch im unwahrscheinlichen Fall eines technischen Ausfalls erhalten bleiben.

Hinter dieser Sicherheit steht eine hochmoderne Infrastruktur aus Flüssigstickstofftanks, Ultratiefkühlschränken und automatisierten Überwachungssystemen, die Temperatur und weitere sicherheitsrelevante Parameter rund um die Uhr kontrollieren. Ergänzt wird sie durch ein geschultes Rufbereitschaftsteam, das an 365 Tagen im Jahr jederzeit eingreifen kann.

Leben bewahren – analog und digital

Neben den physischen Kulturen wächst auch ihr digitales Abbild. Bereits heute wurden die Genome von mehr als 400 Stämmen sequenziert. Langfristig soll dieses digitale Archiv die gesamte Sammlung ergänzen und neue Möglichkeiten für Forschung und internationale Zusammenarbeit eröffnen.

Unsere Sammlung wird kontinuierlich nach international anerkannten Qualitätsstandards gepflegt und weiterentwickelt. Sie unterstützt Forschende und Unternehmen weltweit dabei, die biologischen Lösungen von morgen zu entdecken.

Denn jede Ampulle in unserer Sammlung bewahrt weit mehr als nur Mikroorganismen. Sie bewahrt Millionen Jahre Evolution – und das Potenzial für die Entdeckungen von morgen.

Derselbe weiße Kittel. Ganz unterschiedliche Karrieren.  

Die Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM) hat Penicillium zur »Mikrobe des Jahres 2026« gewählt. Damit wird deutlich: Diese Pilzgattung ist weit mehr als nur eine Quelle von Antibiotika.

In unserer Biobank bewahren wir über 1.000 Stämme auf, die 265 Penicillium-Arten repräsentieren. Selbst in diesem Ausschnitt zeigt sich eine bemerkenswerte Vielfalt: Viele Stämme sehen sich sehr ähnlich – weiße, flauschige Kolonien mit den typischen bürstenartigen Strukturen –, ihre Funktionen unterscheiden sich jedoch grundlegend. Unser ältestes Isolat stammt aus dem Jahr 1940. Es handelt sich um Penicillium notatum, jene Art, aus der Sir Alexander Fleming erstmals Penicillin isolierte. Ausgehend von einer zufälligen Beobachtung und der richtigen Schlussfolgerung löste dieser Pilz eine medizinische Revolution aus.

Labor und Küche haben mehr gemeinsam, als man auf den ersten Blick vermutet: einen speziellen Arbeitstisch, definierte Werkzeuge, genau abgemessene Zutaten oder Chemikalien und ausgewählte Mikroorganismen, die den Wandel vorantreiben. Penicillium nalgiovense wird häufig in trockenfermentierten Würsten eingesetzt. Ausgewählte Stämme unterstützen dort die Oberflächenreifung und tragen zur Entwicklung von Textur und Aroma bei. Penicillium camemberti und Penicillium roqueforti prägen den charakteristischen Geschmack von Weich- und Blauschimmelkäse. In all diesen Anwendungen ist Penicillium kein Kontaminationserreger, sondern ein gezielt ausgewählter Partner in der Lebensmittelproduktion.