Archaeen

Medizinische Expertise: Dr. med. Nonnenmacher
Qualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer. nat. Frank Meyer

Letzte Aktualisierung am: 1. September 2026

Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.

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Bei den Archaeen oder auch Urbakterien handelt es sich um zelluläre Lebensformen neben den weiteren Gruppen der Bakterien und der Eukaryoten. Ende der 1970er Jahre wurden die Archaeen durch die Mikrobiologen Carl Woese und George Fox beschrieben und als eigenständige Gruppe eingeteilt. Damit bilden sie eine der drei Domänen des Lebens.

Was sind Archaeen?

Archaeen leben mit dem Menschen in Symbiose. Sie kommen beim Menschen im Mund, dem Darm und auch der Vagina vor.
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Archaeen sind einzellige Organismen, welche DNA (Desoxyribonukleinsäure) in Form eines zirkulären Chromosoms besitzen. Sie besitzen also keinen Zellkern. Daher wird bei den Archaeen auch von einem Kernäquivalent gesprochen.

Die Archaeen werden den Prokaryoten zugeteilt. Sie besitzen keine Zellorganellen, jedoch ein Cytoskelett zur Stabilisierung der Zelle. Die Archaeen werden als eigene Gruppe beschrieben, da sie eine unterschiedliche Sequenz der ribosomalen RNA (Ribonukleinsäure) aufweisen. Dies betrifft im Spezifischen die Sequenz der RNA der kleinen ribosomalen Untereinheit, der 16S-rRNA. Die Ribosomen dienen bei der Synthese neuer Proteine der Translation des Proteins.

Die Archaeen sind den Eukaryoten molekularbiologisch ähnlicher als den Bakterien.

Vorkommen, Verbreitung & Eigenschaften

Zudem gibt es solche, welche eine besonders saure Umgebung zum Leben benötigen. Bei einem pH-Wert bis 0 ist das Milieu sauer und die Archaeen werden als acidophil bezeichnet. Alkalophile Archaeen bevorzugen eine basische Umgebung mit einem pH-Wert von bis zu 10. Barophile Archaeen kommen in Umgebungen, die einem hohen Druck ausgesetzt sind, vor. Acidophile Archaeen finden sich oft in vulkanischen Thermalquellen, wie im Yellowstone-Nationalpark, wo sie das erste Mal entdeckt wurden.

Die Formen, welche an hohe Salzgehalte gewöhnt sind, kommen beispielsweise im Toten Meer in Israel vor. Methanogene Archaeen leben unter anoxischen Bedingungen. Sie verwerten Wasserstoff in ihrem Stoffwechsel zur Energiegewinnung. Diese kommen im Süßwasser, der Erde und auch im Meer vor. Sie können auch in Form einer Symbiose im Darm von Mensch und Tier leben.

Archaeen besitzen auch einige Ähnlichkeiten zu Bakterien. Die Zellteilung findet auf ähnliche Weise statt und beide besitzen keinen Zellkern. Auch ist die Zellgröße jener der Bakterien sehr ähnlich. Die Gene beider Organismen sind in sogenannte Operons eingeteilt. Dabei handelt es sich um DNA-Einheiten, die aus Promotor, Operator und Gen bestehen. Diese finden sich häufiger bei Prokaryoten, kommen aber auch gelegentlich bei Eukaryoten vor. Und beide besitzen ein fadenförmiges Anhängsel zur Fortbewegung, das äußerlich ähnlich aussieht.

Jedoch ist die ribosomale RNA der Archaeen komplizierter aufgebaut als die der Bakterien. Die Proteinbiosynthese, also die Transkription und Translation, findet bei den Archaeen ähnlich wie bei den Eukaryoten statt. Sie besitzen sehr ähnliche Initiations- und Elongationsfaktoren, welche die Proteinbiosynthese starten.

Archaeen besitzen zudem eine TATA-Box. Dies ist ein Bereich der DNA mit vielen Thyminen und Adeninen. Sie befindet sich im Bereich des Promotors, ist also meist dem kodierenden Gen vorgeschaltet. Die Membranlipide der Archaeen enthalten im Vergleich zu Bakterien und Eukaryoten keine Fettsäuren; ihre Kohlenwasserstoffketten sind über Etherbindungen statt über Esterbindungen mit den Glycerolmolekülen der Zellmembran verknüpft.

Manche Gruppen der Archaeen besitzen eine Zellwand, welche sich sehr innerhalb der Archaeen unterscheiden kann. Dies ist durch die Umgebung, in der die jeweiligen Archaeen leben, bedingt. Anders als die Zellwand der Bakterien enthält sie jedoch kein Murein (Peptidoglykan); an dessen Stelle treten je nach Gruppe etwa Pseudomurein oder eine Proteinhülle. Zudem können sich Archaeen verhältnismäßig schnell fortbewegen. Viele sind autotrophe Organismen. Sie gewinnen ihren Kohlenstoff durch die Aufnahme und Umwandlung von Kohlenstoffdioxid. Es gibt auch einige, die heterotroph sind. Sie gewinnen ihren Kohlenstoff aus organischen Verbindungen, die sie aufnehmen. Viele Archaeen sind anaerob, sie benötigen keinen Sauerstoff, der für sie sogar toxisch sein kann; andere Gruppen, etwa die salzliebenden und die ammoniakoxidierenden Formen, leben dagegen unter Sauerstoff.

Sie werden des Weiteren in chemoorganotroph oder chemolithotroph unterteilt. Sie gewinnen Energie bei der Verstoffwechslung von organischen oder anorganischen Verbindungen.

Bedeutung & Funktion

Hauptsächlich befinden sich Archaeen im Darmtrakt des Menschen. Zusammen mit syntrophen Bakterien spielen Archaeen eine Rolle bei der Verdauung. 'Syntroph' bedeutet das 'wechselseitige miteinander Leben' von verschiedenen Organismen. Dabei produzieren diese verschiedene Stoffe, welche durch den anderen Organismus verwendet werden können. Die Organismen sind in diesem Fall also voneinander abhängig. Archaeen verwenden den von Bakterien hergestellten Wasserstoff für ihre Methanogenese. Dabei entziehen sie dem Darm den Wasserstoff, dessen Anreicherung die bakterielle Gärung sonst hemmen würde. Sie beeinflussen die Verdauung des Menschen positiv.

Krankheiten & Beschwerden

Archaeen sind nicht pathogen für den Menschen. Jedoch konnte eine erhöhte Menge an methanogenen Archaeen im Darm von Menschen mit Darmkrebs festgestellt werden. Auch wurde eine erhöhte Zahl von ihnen in entzündetem Zahnfleisch gefunden und eine Korrelation zwischen der Anzahl von ihnen und der Ausprägung von Parodontitis konnte nachgewiesen werden.

Systematik und Erforschung

Die Abgrenzung der Archaeen als eigene Domäne beruht nicht auf ihrem Aussehen, sondern auf einem Vergleich von Erbmolekülen. Carl Woese verglich die Basenabfolge der 16S-rRNA zahlreicher Kleinstlebewesen und stellte fest, dass sich eine Gruppe von Prokaryoten ebenso deutlich von den übrigen Bakterien unterscheidet wie diese von den Eukaryoten. Ursprünglich wurden sie deshalb als „Archaebakterien“ bezeichnet. Später setzte sich der Name Archaeen durch, um die Gleichrangigkeit mit den beiden anderen Domänen zu betonen und den irreführenden Bezug auf die Bakterien zu vermeiden.

Traditionell wurden zwei große Gruppen unterschieden: die Euryarchaeota, zu denen die methanbildenden und die salzliebenden Formen gehören, und die Crenarchaeota mit vielen hitzeliebenden Vertretern. Mit Verfahren, die Erbgut unmittelbar aus Boden-, Wasser- und Sedimentproben lesen, ohne die Organismen vorher anzuzüchten, kamen weitere Linien hinzu. Dazu zählen die Thaumarchaeota, die im Meer und im Boden Ammoniak umsetzen, sowie die Asgard-Archaeen. Letztere tragen Gene, die zuvor nur von Eukaryoten bekannt waren, und stehen im Mittelpunkt der Frage, wie die komplexe Zelle der Eukaryoten entstanden ist. Nach einer viel diskutierten Vorstellung wären die Eukaryoten aus einer solchen archaeellen Linie hervorgegangen; die Archaeen bildeten dann nicht die Schwestergruppe der Eukaryoten, sondern den Stamm, aus dem diese hervorgingen.

Die Einteilung der Archaeen ist damit weiterhin in Bewegung. Ein erheblicher Teil der bekannten Vielfalt beruht bislang allein auf Erbgutsequenzen aus Umweltproben, denen kein im Labor gehaltener Organismus zugeordnet werden konnte. Von vielen dieser Linien ist daher weder bekannt, wie ihre Zellen aussehen, noch wovon sie leben.

Bau der Archaeenzelle

Der auffälligste bauliche Unterschied zu allen anderen Lebewesen betrifft die Zellmembran. Bei Bakterien und Eukaryoten sind unverzweigte Fettsäuren über Esterbindungen an Glycerol geknüpft. Archaeen verwenden stattdessen verzweigte Isoprenoidketten, die über die widerstandsfähigeren Etherbindungen gebunden sind, und zwar an ein spiegelbildlich aufgebautes Glycerolmolekül. Bei vielen hitze- und säureliebenden Arten sind die Ketten zusätzlich an beiden Enden miteinander verknüpft, so dass die Membran keine Doppelschicht mehr bildet, sondern eine durchgehende Einzelschicht. Diese Bauweise erklärt, warum solche Zellen bei Temperaturen und pH-Werten dicht bleiben, bei denen gewöhnliche Membranen zerfallen.

Statt des Mureins der Bakterienzellwand tragen Archaeen sehr unterschiedliche Hüllen. Verbreitet ist eine sogenannte S-Schicht aus regelmäßig angeordneten Eiweißmolekülen, die der Zelle wie ein Kettenhemd aufliegt. Einige methanbildende Gruppen besitzen Pseudomurein, das dem Murein ähnelt, sich aber in den Bausteinen und in der Art ihrer Verknüpfung unterscheidet. Andere Arten kommen ganz ohne feste Wand aus. Weil die gängigen Antibiotika gegen die Zellwand am Murein ansetzen, sind Archaeen gegen diese Wirkstoffe von Natur aus unempfindlich.

Das Erbgut liegt meist als ringförmiges Chromosom vor, häufig ergänzt durch kleinere Ringe, die Plasmide. Viele Archaeen lagern ihre DNA an histonähnliche Eiweiße an, wie es sonst nur von Eukaryoten bekannt ist. Auch die Maschinerie, die das Erbgut abliest, ähnelt eher der eukaryotischen als der bakteriellen. Die Fortbewegung erfolgt über ein fadenförmiges Anhängsel, das dem bakteriellen Flagellum äußerlich gleicht, im Aufbau und in seiner Verankerung aber anders beschaffen ist; es wird deshalb heute als Archaellum bezeichnet.

Stoffwechsel und Energiegewinnung

Die bekannteste Stoffwechselleistung der Archaeen ist die Methanbildung. Sie ist bislang von keiner anderen Lebensform bekannt und läuft nur unter Ausschluss von Sauerstoff ab. Drei Wege werden unterschieden: die Umsetzung von Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid, die Spaltung von Essigsäure und die Verwertung von Verbindungen wie Methanol oder Methylaminen. Beteiligt sind daran Hilfsstoffe, die es nur bei Methanbildnern gibt, unter anderem das nickelhaltige Coenzym F430, das Coenzym M und das Coenzym F420. Weil das Coenzym F420 unter kurzwelligem Licht blaugrün leuchtet, lassen sich methanbildende Zellen unter dem Mikroskop an ihrer Eigenfluoreszenz erkennen.

Andere Archaeen gewinnen Energie aus Schwefelverbindungen. Sie oxidieren Schwefelwasserstoff oder elementaren Schwefel, oder sie nutzen Schwefel umgekehrt als Endpunkt der Atmung. Die dabei entstehende Schwefelsäure erklärt, warum an heißen Quellen und in Bergbauhalden extrem saure Standorte entstehen, an denen gerade jene Arten leben, die solche Bedingungen benötigen. Wieder andere setzen Ammoniak zu Nitrit um und greifen damit in den Stickstoffkreislauf ein; im offenen Meer und in vielen Böden stellen sie einen erheblichen Anteil aller Mikroorganismen.

Die salzliebenden Archaeen der Salzseen und Salzgärten besitzen mit dem Bacteriorhodopsin ein Eiweiß, das Lichtenergie unmittelbar in einen Protonenstrom umsetzt. Es enthält denselben Farbstoffbaustein, der auch im Sehfarbstoff des menschlichen Auges vorkommt, und färbt die Membran purpurn. Die rosarote Färbung mancher Becken zur Salzgewinnung geht dagegen auf carotinoide Farbstoffe dieser Zellen zurück, die sie zugleich vor starker Sonneneinstrahlung schützen. Um dem Wasserentzug in gesättigter Salzlösung standzuhalten, reichern viele dieser Arten Kaliumionen in der Zelle an und besitzen Proteine, die nur bei hohem Salzgehalt richtig gefaltet bleiben.

Nachweis im Labor

Archaeen nachzuweisen ist deutlich schwieriger, als Bakterien nachzuweisen. Viele Arten wachsen nur unter Bedingungen, die im Labor aufwendig herzustellen sind: streng sauerstofffrei, bei hohen Temperaturen, unter Druck oder in gesättigter Salzlösung. Methanbildner sterben bereits bei kurzem Luftkontakt ab und müssen deshalb in besonderen Gefäßen unter Schutzgas angezogen werden. Ein großer Teil der aus der Umwelt bekannten Archaeen ist bis heute überhaupt nicht in Reinkultur gebracht worden.

Der Nachweis erfolgt daher überwiegend über das Erbgut. Aus einer Probe wird die Gesamt-DNA gewonnen, ein Abschnitt des 16S-rRNA-Gens mit archaeenspezifischen Startermolekülen über die Polymerase-Kettenreaktion vervielfältigt und anschließend abgelesen; die gefundene Abfolge wird mit Datenbanken verglichen. Ergänzend werden Zellen mit farbstoffmarkierten Sonden angefärbt, die sich nur an archaeelle Ribosomen anlagern — unter dem Fluoreszenzmikroskop leuchten dann genau diese Zellen auf. In der Diagnostik menschlicher Infektionskrankheiten spielen solche Verfahren keine Rolle. Eingesetzt werden sie vor allem in der Umwelt- und Mikrobiomforschung sowie in der Überwachung von Faultürmen und Biogasanlagen.

Bedeutung in Umwelt und Technik

Methanbildende Archaeen stehen am Ende jeder Zersetzungskette, die ohne Sauerstoff abläuft. Überall dort, wo organisches Material unter Luftabschluss abgebaut wird — in Sumpfböden, Reisfeldern, Sedimenten, im Pansen von Wiederkäuern, in Mülldeponien und in den Faultürmen von Kläranlagen — zerlegen zunächst Bakterien die großen Moleküle zu Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Essigsäure, aus denen die Archaeen schließlich Methan bilden. Technisch wird dieser Vorgang in Biogasanlagen und in der Klärschlammbehandlung genutzt, wobei das entstehende Gas der Strom- und Wärmeerzeugung dient. Zugleich ist Methan ein wirksames Treibhausgas, weshalb die Methanbildung im Verdauungstrakt von Nutztieren und auf gefluteten Reisfeldern auch klimatisch von Bedeutung ist.

Hitzeliebende Archaeen liefern außerdem Werkzeuge für die Molekularbiologie. Ihre Enzyme bleiben bei Temperaturen funktionsfähig, bei denen menschliche oder bakterielle Proteine längst zerstört wären. Aus dem Archaeon Pyrococcus furiosus stammt eine DNA-Polymerase, die in der Polymerase-Kettenreaktion verwendet wird und Lesefehler selbst korrigieren kann; sie wird bevorzugt eingesetzt, wenn eine besonders originalgetreue Vervielfältigung des Erbguts benötigt wird. Salzliebende Arten dienen der Forschung als Modell für die Lichtnutzung durch Bacteriorhodopsin, das unter anderem in der Optogenetik und in technischen Anwendungen erprobt wird.

Warum Archaeen kaum Krankheiten verursachen

Unter den vielen beschriebenen Archaeen ist bis heute keine Art bekannt, die beim Menschen regelmäßig eine Infektionskrankheit auslöst. Das ist bemerkenswert, denn Archaeen besiedeln den Darm, die Mundhöhle und die Vagina und stehen damit ebenso im Kontakt mit dem Körper wie viele bakterielle Erreger. Für diese Ausnahmestellung werden mehrere Gründe angeführt. Archaeen besitzen kein Lipopolysaccharid, also nicht jenen Bestandteil der äußeren Membran gramnegativer Bakterien, der beim Menschen heftige Entzündungsreaktionen auslöst. Bislang wurden bei ihnen auch keine Toxine oder Anheftungsfaktoren gefunden, wie sie bakterielle Erreger einsetzen. Und die meisten mit dem Menschen vergesellschafteten Archaeen sind streng auf sauerstofffreie Bedingungen und auf das Zusammenspiel mit anderen Mikroorganismen angewiesen, was ein Eindringen in Gewebe erschwert.

Auffällig ist ihr Verhalten gegenüber Arzneimitteln. Antibiotika, die die Bildung des Mureins hemmen, laufen bei Archaeen ins Leere, weil dieser Baustein fehlt. Auch zahlreiche Hemmstoffe der bakteriellen Ribosomen wirken nicht, da die archaeellen Ribosomen anders aufgebaut sind. Umgekehrt greifen Substanzen aus der Gruppe der Statine, die beim Menschen die Cholesterinbildung hemmen, in denselben Stoffwechselweg ein, über den Archaeen die Bausteine ihrer Membran herstellen; Methanbildner reagieren darauf empfindlich. Ob sich daraus ein sinnvoller Ansatz ergibt, die Methanbildung im Darm oder im Pansen gezielt zu beeinflussen, wird derzeit untersucht.

Quellen

• Suerbaum, S., Burchard, G.-D., Kaufmann, S. H. E., Schulz, T. F. (Hrsg.): Medizinische Mikrobiologie und Infektiologie.
  ISBN: 9783662613849

• Hof, H., Schlüter, D. (Hrsg.): Duale Reihe Medizinische Mikrobiologie.
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• Kayser, F. H., Böttger, E. C., Deplazes, P., et al.: Taschenlehrbuch Medizinische Mikrobiologie.
  ISBN: 9783132447936

• Holtmann, H., Holtmann, J., Lommen, J., Schorn, L. K.: BASICS Medizinische Mikrobiologie, Hygiene und Infektiologie.
  ISBN: 9783437414718

• Hof, H., Schlüter, D. (Hrsg.): Medizinische Mikrobiologie.
  ISBN: 9783132423558

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