Funktionelle Analyse von Crenothrix polyspora

Methanoxidierende Bakterien (MOB) stellen eine ubiquitär vorkommende funktionelle Guilde von Mikroorganismen dar, welche in der Lage sind das Treibhausgas Methan als Energie- und Kohlenstoffquelle zu nutzen. Aufgrund dieser Fähigkeit repräsentieren MOB die wichtigsten natürlich vorkommenden Methanverwerter der Welt und spielen eine Schlüsselrolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Mit Ausnahme von Methylocella silvestris, dem einzigen bisher bekannten fakultativen Methanoxidierer, sind alle MOB auf Methan oder Methanol als Kohlenstoffquelle angewiesen und nicht in der Lage auf Substraten welche C-C Bindungen enthalten zu wachsen. In einer vorangegangenen Studie war es uns möglich einen sehr ungewöhnlichen Vertreter dieser funktionellen Guilde der Methanoxidierer identifizieren und funktionell Charakterisieren: Crenothrix polyspora. Dieser, bis heute nicht kultivierbare, filamentöse Mikroorganismus, wurde bereits im Jahre 1870 von Ferdinand Cohn beschrieben, verfügt über einen komplexen Lebenszyklus und ist für sein gelegentliches Massenauftreten in Trinkwasseraufbearbeitungsanlagen gefürchtet. Trotz dieser offensichtlichen Wichtigkeit C. polysporas, blieben die Identität und die Funktion dieses Bakteriums im Dunkeln. Durch die Anwendung kultivierungsunabhängiger Methoden konnten wir nun C. polyspora als neues Gammaproteobakterium identifizieren, welches nahe verwandt zu bereits bekannten Typ I Methanoxidierern ist. Übereinstimmend mit dieser phylogenetischen Zuordnung, war es uns möglich zu beweisen das C. polyspora tatsächlich in der Lage ist Methan und Methanol zu oxidieren und damit als Kohlenstoff und Energiequelle zu nutzen. Überraschenderweise zeigten unsere Versuche auch, dass C. polyspora darüber hinaus noch in der Lage ist sich weitere Kohlenstoffquellen wie Acetat und Glucose nutzbar zu machen, eine Fähigkeit die unter den bekannten Methanoxidieren bisher nur sehr selten beobachtet werden konnte. Das Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es, diesen ungewöhnlichen Methanoxidierenden Mikroorganismus hinsichtlich seiner Ökophysiologie weitergehend zu untersuchen sowie erste Einblicke in die Mechanismen des komplexen Lebenszyklusses C. polysporas zu gewinnen. Um diese Ziele zu erreichen werden wir verschiedene, sich ergänzende Strategien verfolgen. Zum einen werden wir die, durch eine Metagenomanalyse, gewonnenen Daten auf Gene überprüfen welche es C. polyspora ermöglichen Kohlenstoffquellen welche C-C Bindungen enthalten aufzunehmen und zu metabolisieren. Diese Analyse wird uns zusätzlich Einblicke in das potentielle Substratspektrum dieses komplexen Mikroorganismus ermöglichen. Die aus diesem Ansatz gewonnenen Hypothesen werden dann experimentell überprüft. Dabei wird, neben der bereits sehr erfolgreich auf C. polyspora angewandten Kombination aus Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) und Mikroautoradiographie (MAR; FISH-MAR), vor allem die konfokale Raman-Mikrospektroskopie eine entscheidende Rolle spielen. Diese Methode erlaubt es auf Einzelzellebene die Menge an eingebauten, durch stabile Isotope markierten, Substrates zu quantifizieren. Darüber hinaus ermöglicht diese Technik (i) Einblicke in die zelluläre Zusammensetzung der analysierten Zellen sowie (ii) eine semiquantitative Aussage über die Mengenverteilung der jeweiligen zellulären Komponenten (i.e. Nukleinsäuren, Proteine, Lipide, Kohlenwasserstoffe) in den untersuchten Zellen. Damit eignet sich diese Technik auch hervorragend um mehr über die Funktion der so genannten Gonidien zu erfahren, welche im Laufe des Lebenszyklusses von C. polyspora gebildet werden. Ein essentieller Teil des vorgeschlagenen Projektes wird daher beinhalten, das volle Potential dieser neuen und sehr viel versprechenden Technik für die mikrobielle Ökologie auszuschöpfen.

Methanoxidierende Bakterien (MOB) stellen eine ubiquitär vorkommende funktionelle Guilde von Mikroorganismen dar, welche in der Lage sind das Treibhausgas Methan als Energie- und Kohlenstoffquelle zu nutzen. Aufgrund dieser Fähigkeit repräsentieren MOB die wichtigsten natürlich vorkommenden Methanverwerter der Welt und spielen eine Schlüsselrolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Mit Ausnahme von Methylocella silvestris, dem einzigen bisher bekannten fakultativen Methanoxidierer, sind alle MOB auf Methan oder Methanol als Kohlenstoffquelle angewiesen und nicht in der Lage auf Substraten welche C-C Bindungen enthalten zu wachsen. In einer vorangegangenen Studie war es uns möglich einen sehr ungewöhnlichen Vertreter dieser funktionellen Guilde der Methanoxidierer identifizieren und funktionell Charakterisieren: Crenothrix polyspora. Dieser, bis heute nicht kultivierbare, filamentöse Mikroorganismus, wurde bereits im Jahre 1870 von Ferdinand Cohn beschrieben, verfügt über einen komplexen Lebenszyklus und ist für sein gelegentliches Massenauftreten in Trinkwasseraufbearbeitungsanlagen gefürchtet. Trotz dieser offensichtlichen Wichtigkeit C. polysporas, blieben die Identität und die Funktion dieses Bakteriums im Dunkeln. Durch die Anwendung kultivierungsunabhängiger Methoden konnten wir nun C. polyspora als neues Gammaproteobakterium identifizieren, welches nahe verwandt zu bereits bekannten Typ I Methanoxidierern ist. Übereinstimmend mit dieser phylogenetischen Zuordnung, war es uns möglich zu beweisen das C. polyspora tatsächlich in der Lage ist Methan und Methanol zu oxidieren und damit als Kohlenstoff und Energiequelle zu nutzen. Überraschenderweise zeigten unsere Versuche auch, dass C. polyspora darüber hinaus noch in der Lage ist sich weitere Kohlenstoffquellen wie Acetat und Glucose nutzbar zu machen, eine Fähigkeit die unter den bekannten Methanoxidieren bisher nur sehr selten beobachtet werden konnte. Das Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es, diesen ungewöhnlichen Methanoxidierenden Mikroorganismus hinsichtlich seiner Ökophysiologie weitergehend zu untersuchen sowie erste Einblicke in die Mechanismen des komplexen Lebenszyklusses C. polysporas zu gewinnen. Um diese Ziele zu erreichen werden wir verschiedene, sich ergänzende Strategien verfolgen. Zum einen werden wir die, durch eine Metagenomanalyse, gewonnenen Daten auf Gene überprüfen welche es C. polyspora ermöglichen Kohlenstoffquellen welche C-C Bindungen enthalten aufzunehmen und zu metabolisieren. Diese Analyse wird uns zusätzlich Einblicke in das potentielle Substratspektrum dieses komplexen Mikroorganismus ermöglichen. Die aus diesem Ansatz gewonnenen Hypothesen werden dann experimentell überprüft. Dabei wird, neben der bereits sehr erfolgreich auf C. polyspora angewandten Kombination aus Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) und Mikroautoradiographie (MAR; FISH-MAR), vor allem die konfokale Raman-Mikrospektroskopie eine entscheidende Rolle spielen. Diese Methode erlaubt es auf Einzelzellebene die Menge an eingebauten, durch stabile Isotope markierten, Substrates zu quantifizieren. Darüber hinaus ermöglicht diese Technik (i) Einblicke in die zelluläre Zusammensetzung der analysierten Zellen sowie (ii) eine semiquantitative Aussage über die Mengenverteilung der jeweiligen zellulären Komponenten (i.e. Nukleinsäuren, Proteine, Lipide, Kohlenwasserstoffe) in den untersuchten Zellen. Damit eignet sich diese Technik auch hervorragend um mehr über die Funktion der so genannten Gonidien zu erfahren, welche im Laufe des Lebenszyklusses von C. polyspora gebildet werden. Ein essentieller Teil des vorgeschlagenen Projektes wird daher beinhalten, das volle Potential dieser neuen und sehr viel versprechenden Technik für die mikrobielle Ökologie auszuschöpfen.