Genetische Diversität der Toxinproduktion bei Cyanobakterien

Cyanobakterien (Blaualgen) stellen heutzutage weltweit ein Problem für die Nutzung von Oberflächengewässern dar, da sie diese durch die Produktion von Toxinen (in Binnengewässern vorallem Microcystine) beeinträchtigen. Aus diesem Grund hat die Weltgesundheitsbehörde bereits 1997 einen Grenzwert von 1 g pro Liter an Microcystin im Trinkwasser festgesetzt und das Verständnis der Toxinproduktion sowie daraus abgeleitete Maßnahmen zur Reduktion der Toxinbelastung sind ein wichtiges Aufgabengebiet der Limnologie. Während der direkte Einfluß von Umweltfaktoren (Licht, Nährstoffe, Temperatur, usw.) auf die Microcystinproduktion an einzelnen Isolaten von Cyanobakterien bereits untersucht wurde, ist der Einfluß der unterschiedlichen Häufigkeit von Genotypen mit/ohne Microcystin auf den Microcystingehalt in einem bestimmten Gewässer noch unbekannt. Weiters kann man innerhalb der Gruppe der Microcystin enthaltenden Cyanobakterien Isolate mit geringem Microcystingehalt von Isolaten, die deutlich mehr Microcystin enthalten unterscheiden. Wenig erforscht ist vorallem der Einfluß der genetischen Vielfalt auf die Microcystinproduktion bei der Gattung Planktothrix, zu welcher auch die in zahlreichen Voralpenseen dominante Art Planktothrix rubescens (Burgunderblutalge) gezählt wird. Ziel dieser Studie ist es, den Einfluß der genetischen Vielfalt auf die Microcystinproduktion unabhängig von dem modifizierenden Einfluß einzelner Umweltfaktoren anhand von einzelnen Isolaten aus verschiedensten Gewässern Mitteleuropas darzustellen. Die genetische Analyse wird durch Kooperation mit dem weltweit führenden Labor in der Aufklärung der für die Microcystinproduktion verantwortlichen Gene möglich. Das Projekt verbindet die Bereiche aquatische Ökologie, Molekularbiologie und Physiologie der niederen Pflanzen. Die einzelnen Isolate werden zunächst phänotypisch (Morphologie, Pigmentgehalt) und genetisch charaktersiert und Unterschiede zwischen den einzelnen Isolaten dann ihrem Microcystingehalt quantitativ und qualitativ gegenübergestellt. Im einzelnen werden (1) der Einfluß unterschiedlicher physiologischer Aktivitäten wie der maximalen spezifischen Wachstumsrate (2) der Einfluß genetischer Unterschiede innerhalb der Genabschnitte für die Microcystinsynthese (3) die Produktion zusätzlicher, zu dem Microcystin verwandten sekundären Naturstoffe und (4) der Einfluß von Lebensraum und Lebensform (seichte eutrophe, ständig durchmischte Gewässer vs. tiefe, wenig eutrophe und geschichtete Gewässer) untersucht. Die Ergebnisse dieses Projekts haben wichtige Bedeutung für das Verständnis sowie die Vorhersage der Microcystinbelastung durch Cyanobakterien in unseren Gewässern.

Pflanzliche Mikroorganismen (Cyanobakterien) kommen in jedem Gewässer vor und verblüffen durch ihre versteckte Vielfalt in der Produktion an bioaktiven Naturstoffen, z.B. dem zyklischen und giftigen Heptapeptid Microcystin (MC). Die Mechanismen und die Prozesse, die diese zunächst unsichtbare Vielfalt auf molekularer Ebene fördern sind nicht bekannt. In dem FWF-Forschungsprojekt konnte gezeigt werden, dass Umstruktierungen (Mutationen) innerhalb der Erbanlagen für die MC (sogenannte Synthetasen) häufig vorkommen. Es wurden Veränderungen der Erbanlagen identifiziert, die zur Bildung neuer Strukturvarianten führen. Dabei wurden entweder einzelne Erbanlagen aus anderen Enzymen erworben und in die Gene zur MC Synthese integriert oder die Gene der MC Synthese selbst so verändert, dass neuartige Moleküle dieser Heptapeptide entstehen. Weiter wurden Mutationen gefunden, die Ähnlichkeit mit sogenannten Transposasen oder "springenden Genen" haben sowie Gene, in denen wichtige Erbanlagen herausgeschnitten wurden. Sowohl Genverlust als auch Transposasen resultierten in der Inaktivierung der MC Synthese. In den Gewässern der temperierten Klimazone findet man häufig grün oder rot gefärbte, fädige Cyanobakterien (lat. Planktothrix und ehemalig Oscillatoria) mit MC, wobei die rot gefärbten Organismen das in größerer Tiefe vorherrschende grünen Lichtspektrum am besten ausnutzen können und deshalb in großer Zahl in tieferen und wenig verschmutzten Seen der Alpenregion und Skandinavien vorkommen. Umgekehrt findet man die grün gefärbten Cyanobakterien in seichten, nährstoffreichen und ständig durchmischten Gewässern wo sie ebenfalls hohe Dichten erreichen können. Bei beiden Lebensformen wurde festgestellt, dass giftige und harmlose Organismen nebeneinander vorkommen, jedoch rein äußerlich im mikroskopischen Bild nicht voneinander unterschieden werden können. Während jedoch bei der grünen Lebensform sowohl Organismen mit als auch ohne die Gene für Microcystin gefunden wurden, enthielten die rot gefärbten Organismen durchwegs aktive oder inaktive Gene der MC Synthese. In Zuge von Wachstumsversuchen im Labor zeigte sich, dass Organismen mit wenig MC dazu neigen, mehr von einem verwandten aber weniger toxischen Peptid, dem sogenannten Anabaenopeptin, zu produzieren. Weiter zeigte sich bei den roten Organismen, dass diese typischerweise immer mehr Anabaenopeptin als MC produzieren, während bei den grün gefärbten Organismen das Verhältnis von diesen beiden Peptiden ausgewogen ist. Die Ergebnisse dieses Projekts tragen zum ökologischen Verständnis dieser faszinierenden molekularen Vielfalt bei. Die Beobachtungen auf molekularer Ebene beleuchten den evolutionären Hintergrund der strukturellen Vielfalt von Toxinen und deuten auf eine relativ rasche Evolution der Toxinsynthese hin.