Schutz vor kleinen Aliens

Zwei Sammlungen von Mikroben

„Bereits seit den Viking-Missionen in den 1970er-Jahren ist klar, dass Mikroorganismen auf Raumfahrzeugen ein nicht zu vernachlässigendes Thema sind“, sagt Jörg Overmann. Der Mikrobiologe ist Wissenschaftlicher Direktor der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ). „Seitdem gibt es den Bio Burden Standard Test. Dabei wird anhand von Proben die biologische Belastung von Raumfahrzeugen ermittelt.“ Wie fast alles in der Raumfahrt, werden die aufgespürten Mikroorganismen penibel dokumentiert und archiviert.

„Dazu gibt es schon sehr lange eine Sammlung bei der NASA“, sagt der Forscher. „Und vor etwa zehn Jahren haben wir gemeinsam mit der ESA begonnen, eine eigene Sammlung in Europa aufzubauen.“ Anders als ihr Pendant in Übersee ist sie öffentlich. Das heißt, die hier gesammelten Lebewesen stehen der Forschergemeinschaft zur Verfügung. In der Sammlung befinden sich fast ausschließlich Bakterien – bisher 847 Stämme von mehr als 180 Arten. Neuzugänge kommen per Kurier, werden gereinigt, charakterisiert und anschließend konserviert.

„Dazu haben wir zwei Verfahren etabliert“, berichtet Jörg Overmann: „Ultraschnelles Schockfrosten bei minus 150 Grad Celsius und Gefriertrocknen.“ Bei der ersten Methode werden die Proben in spezielle Glaskapillaren gefüllt, die dann an beiden Enden zugeschmolzen werden. Anschließend kommen sie in flüssigen Stickstoff. Das Glas leitet die Wärme sehr schnell ab, und die Mikroorganismen gefrieren blitzschnell. „Damit vermeiden wir Eiskristalle, die die Zelle zerstören würden“, sagt Overmann. In dem flüssigen Stickstoff lässt sich die Probe auf Dauer aufbewahren.

Variante zwei, die Gefriertrocknung, hat den großen Vorteil, dass sich die konservierten Proben bei neun Grad Celsius im Kühlschrank lagern und auch sehr einfach verschicken lassen. Bei den Forschern im Labor können sie dann direkt auf ein Nährmedium aufgebracht werden. Doch nicht alle Mikroorganismen eignen sich dafür. Jörg Overmann schätzt, dass rund zwei Drittel aller Bakterienstämme bei der DSMZ für die Gefriertrocknung infrage kommen.

Die Bakterien aus der ESA-Sammlung sind robuster: Bisher haben alle Reinraum-Stämme die Prozedur überlebt. „Das liegt daran, dass diese Bakterien wesentlich widerstandsfähiger gegenüber Austrocknung, Temperaturschwankungen und oxidativem Stress sind“, erklärt der Mikrobiologe. „In gewisser Weise werden ja genau solche Bakterien durch die Bedingungen im Reinraum selektiert.“

Wattestäbchen und Wischtücher

Seine Neuzugänge erhält Overmann vor Ort von den Planetary-Protection-Experten, zum Beispiel von Petra Rettberg. Im Auftrag der ESA führt sie seit vielen Jahren Planetenschutz-Messungen in den Reinräumen durch. Sie und ihre Kollegen begleiten den Bau eines gesamten Raumfahrzeugs.

„Für solche Probenentnahmen gibt es Standards, an deren Entwicklung ich mitgewirkt habe“, berichtet die Forscherin. „Für kleine Flächen benutzen wir spezielle Wattestäbchen, die Swaps. Bei großen Flächen nehmen wir die Proben mit besonderen Polyestertüchern auf, den Wipes. Dazu kommen noch Luftproben.“

Ihr Team hat sich dabei auf die biologischen Verunreinigungen spezialisiert – also auf noch lebende Mikroorganismen. Um sie zu entdecken, streichen die Wissenschaftler ihre Proben im Labor auf ein Nährmedium, lassen die Kultur wachsen und bestimmen anschließend, was sie da gefunden haben. Unterstützung erhalten sie von Kollegen der Universität Graz. Sie suchen in den Proben mit Methoden der Gensequenzierung nach fremder DNA. So finden sie auch Lebewesen, die sich nicht in der Petrischale kultivieren lassen – und organische Verunreinigungen.

„Wenn man einen Mikroorganismus durch ein Sterilisationsverfahren abtötet und seine Reste nicht von der Oberfläche entfernt, stellt er immer noch eine Kontamination dar“, erläutert Petra Rettberg. „Hochempfindliche Instrumente, die nach organischen Verbindungen suchen, würden hier anschlagen.“ Wenn man solche Mikrobenreste auf einem Himmelskörper einschleppt, könnten spätere Missionen zum Beispiel auf Lipide stoßen, wie sie in Zellmembranen vorkommen. Aber auch irdische Proteine und Bruchstücke von DNA könnten Wissenschaftler in die Irre führen.

„Selbst in den Reinräumen der ESA ist die Vielfalt des Lebens groß“, sagt Petra Rettberg. Gut 1000 verschiedene Arten würden darin überdauern, wenn auch in sehr geringer Konzentration. Wie sie dort hineingelangen, ist für die Planetenschützerin kein Geheimnis: „Etwa die Hälfte davon haben Menschen in den Reinraum gebracht. Unser natürliches Mikrobiom ist riesig. Wir tragen die Bakterien auf der Haut, atmen sie aus und beherbergen unzählige davon im Darm.“ Während sie dort gut gedeihen, wandeln sich viele Arten in einer unwirtlichen Umgebung wie dem Reinraum in einen geschützten Zustand um – sie werden zu Sporen. Auf diese Weise können sie sehr lange widrigste Bedingungen überstehen und wieder erwachen, wenn es für sie angenehmer ist.

Flüssiges Kohlendioxid als Putzmittel

Auch Udo Gommel, Reinraumexperte am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart weiß, wie zäh das Leben ist. Deshalb versucht er gar nicht erst, die Mikroorganismen in den Reinräumen abzutöten. „Wir entfernen sie einfach komplett, und zwar zusammen mit allen anderen Verunreinigungen“, sagt der Physiker. Die Waffe: flüssiges Kohlendioxid, das unter sehr hohem Druck steht. Über eine Düse geleitet, verwandelt es sich in einen Strahl aus eiskaltem Gas. „Dabei wird es nicht nur gasförmig, es kühlt sich auch schlagartig auf minus 80 Grad Celsius ab“, sagt Gommel. „Das lässt sogar hartnäckige Ablagerungen verspröden und abplatzen, sodass der Gasstrom sie davonblasen kann.“ Eine ausgeklügelte Absaugung sorgt dafür, dass alles aus dem Reinraum verschwindet und sich nicht irgendwo wieder absetzen kann.

Im niederländischen Noordwijk haben Gommel und seine Kollegen einen solchen Reinraum für die ESA entworfen und gebaut. „Reinräume für die Raumfahrt sind etwas Besonderes“, sagt der Experte. „Sie müssen kleinste Partikel fernhalten, damit zum Beispiel die optischen Systeme eines Satelliten nicht verschmutzen. Und sie müssen biologische Verunreinigungen verhindern, damit keine Mikroorganismen oder Biomoleküle die Erde verlassen und fremde Himmelskörper kontaminieren könnten.“ Oberflächen, an denen sich kein noch so winziges Staubkörnchen absetzen kann, Filtersysteme, Schleusen und eine ausgeklügelte Luftführung machen dies möglich. Auch gläserne Wände tragen zur Sicherheit bei. „Reinraumarbeit in der Raumfahrt ist Stalking auf höchstem Niveau“, scherzt Gommel. „Hier wird ständig geschaut, dass keine Fehler unterlaufen.“

Forward Planetary Protection ist eine hochpenible Sache – doch sie ist nichts im Vergleich mit ihrem rückwärtsgewandten Pendant. „Bisher haben wir noch keine Proben von lebensfreundlichen Himmelskörpern“, sagt Petra Rettberg. „Aber wir haben Gestein vom Mond und Staub aus dem Weltraum.“ Die haben zum Beispiel die japanischen Hayabusa-Missionen mitgebracht. Auch die Sonde OSIRIS-Rex, die momentan noch unterwegs ist, wird solche Proben zur Erde bringen. „Solche Staubpartikel sind außerordentlich wertvoll“, betont die Astrobiologin. „Jedes einzelne Korn wird sorgfältig gelagert und untersucht – natürlich in Reinräumen. Die Proben dürfen ja nicht kontaminiert werden. Trotzdem sind die Anforderungen viel geringer als bei solchen, die von möglicherweise lebensfreundlichen Himmelskörpern kommen.“

Der ideale Reinraum

Wie sollte er also aussehen, der Reinraum, in dem in Zukunft in Proben vom Mars und von den Eismonden des äußeren Sonnensystems nach Spuren von Leben gesucht wird? „Einerseits muss er der höchsten biologischen Schutzstufe entsprechen“, sagt Gommel. „Das soll garantieren, dass weder Mitarbeiter noch Außenstehende mit möglicherweise gefährlichem Material in Kontakt kommen. Andererseits müssen die Proben selbst vor jeglicher Kontamination mit irdischem Material geschützt werden.“

Jede dieser Herausforderungen ist schon mit heutigen Reinräumen zu meistern. In den einen werden die gefährlichsten Seuchen der Menschheit untersucht. In den anderen wird hochempfindliche Mikroelektronik hergestellt. Allerdings – und das macht die Sache kompliziert – stellen die gängigen Konzepte für die beiden Arten von Anlagen entgegengesetzte Anforderungen.

„Biologische Labore arbeiten mit Unterdruck, um im Havariefall die Gefahrenstoffe abzusaugen“, erklärt der Reinraumexperte. „Die Mikroelektronik hingegen arbeitet mit Überdruck, um alle Teilchen vom Werkstück fernzuhalten.“ Lösen lässt sich das Problem mit einem doppelwandigen Konzept, meint Udo Gommel. „Um den Reinraum, der zum Schutz der Proben vor Verunreinigung gedacht ist, wird ein zweiter Reinraum als biologisches Hochsicherheitslabor gelegt“, beschreibt er die Idee. „Ausgeklügelte Schleusensysteme und eine komplexe Luftführung sorgen dafür, dass keine irdischen Partikel an die Probe und keine außerirdischen in die Umwelt gelangen.“

Europäische Ambitionen

Noch befindet sich ein solcher Reinraum in der Konzeptionsphase, an der Udo Gommel und Petra Rettberg mit ihren Teams beteiligt sind. Im Mai 2019 saßen sie dazu mit ESA- und NASA-Experten im britischen Leicester zusammen. „Die NASA wird auf jeden Fall ihre eigene Anlage bauen, die Mars Sample Return Facility“, sagt der Reinraumexperte. „Ob und in welcher Form die Europäer sich beteiligen, ist auch eine politische Frage, die noch nicht geklärt ist.“ Zentrale Punkte sind dabei der Aufwand und die Kosten.

Für die Astrobiologin Rettberg gibt es drei Gründe, die für einen solchen eigenen Weg sprechen: „Europäische Wissenschaftler hätten dann zeitnah Zugriff auf die Proben und nicht erst, nachdem amerikanische Kollegen darüber publiziert haben. Außerdem würde die Anlage in den USA höchstwahrscheinlich auf Militärgelände errichtet, was den Zugang für europäische Wissenschaftler erschwert. Und würde tatsächlich Leben gefunden, wäre ohnehin eine Bestätigung durch ein unabhängiges Labor nötig.“

Auch die Frage nach dem Standort wird noch etliche Verhandlungen erfordern. Immerhin bedeutet ein Labor großes Prestige für das Land, in dem es gebaut wird. Aber auch die wissenschaftliche Infrastruktur muss stimmen. „Vor Ort sollten möglichst viele Untersuchungsmethoden bis hin zu einem Synchrotron verfügbar sein“, sagt Petra Rettberg. In einem solchen Teilchenbeschleuniger werden geladene Teilchen durch Magnete auf eine Kreisbahn gezwungen und durch elektrische Felder beschleunigt. Dabei entsteht intensive elektromagnetische Strahlung, mit der sich hochaufgelöste Bilder von der inneren Struktur der Proben gewinnen lassen.

Die Mars-Proben selbst sollen in einem etwa fußballgroßen Behältnis zur Erde reisen. Dessen Hülle wird aus mehreren Schichten bestehen. Die äußeren Flächen, die mit der Atmosphäre und dem Staub des Roten Planeten in Berührung gekommen sind, werden schon im Mars-Orbit abgestoßen.

„Wir müssen sicherstellen, dass nichts, an dem irgendwelche Mars-Partikel haften, zum Beispiel Staub, ungeschützt und unkontrolliert auf die Erde gebracht wird“, sagt die Astrobiologin. „Wir nennen das ,Chain of Contactʻ. Diese Kontaktkette muss auf jeden Fall unterbrochen werden.“

Planetenschützer können den Mars wohl erst von ihrer Liste der Schutzgebiete im Sonnensystem nehmen, wenn er sehr genau untersucht wurde und man dabei nicht die kleinste Spur von Leben gefunden hat. Da aber selbst die Mission Mars 2020 nur an der Oberfläche des Roten Planeten kratzen wird, dürfte er noch lange im Zentrum der Aufmerksamkeit von Petra Rettberg und ihren Kollegen stehen.