Stoffwechsel- und Genomanalysen Ammonium-oxidierender Archaea

Nitrifikation ist ein ausschließlich von Mikroorganismen durchgeführter Prozess, der eine zentrale Rolle im globalen Stickstoffzyklus spielt und auch ökonomische Bedeutung in der Landwirtschaft und Abwasserbehandlung hat. Der erste und Geschwindigkeits-bestimmende Schritt der Nitrifikation wird von Ammoniak-Oxidierern durchgeführt, die Ammoniak zu Nitrit-Ionen oxidieren. Seit ihrer Entdeckung vor über hundert Jahren durch S. Winogradsky sind nitrifizierende Bakterien bekannt. Erst kürzlich wurde entdeckt, dass auch Mikroorganismen aus der Domäne der Archaea diese Aktivität haben können. Diese Gruppe der Archaea kommt um Größenordnungen häufiger vor als die bekannten bakteriellen Ammoniak-Oxidierer, und zwar sowohl in marinen Gewässern, als auch in vielen terrestrischen Habitaten, Sedimenten und Flussmündungen. Bis heute ist äußerst wenig über die Physiologie dieser Organismen bekannt. Ihr chemolithoautotrophes Wachstum wurde lediglich für ein einzelnes marines Isolat und für zwei Anreicherungskulturen aus heißen Quellen gezeigt. Daher ist die Physiologie insbesondere der im Boden lebenden Ammoniak-oxidierenden Archaea bislang unbekannt und ihr Anteil an der Nitrifizierung wird kontrovers diskutiert. Wir haben kürzlich ein chemolithoautotrophes Ammoniak-oxidierendes Archaeon aus einem Boden in Wien an reichern können, das nun stabil seit 2 Jahren in Laborkultur wächst und auf über 95% angereichert ist. Das Hauptziel dieses Antrags ist die nähere Charakterisierung dieses Organismus, Candidatus Nitrososphaera viennensis, sowohl in physiologischer Hinsicht, als auch in Bezug auf seine generelle Aktivität, sein genomisches Potenzial und seine Evolution. Hier durch soll es zu einem Modellorganismus für die Charakterisierung der Ammoniak-oxidierenden Archaea aus Boden werden. Da zu werden wir detaillierte Wachstumstests so wie Studien der Genomik und funktionellen Genomik durchführen. Wir werden versuchen von einem unserer beiden angereicherten Stämme eine Reinkultur zu erhalten und werden diese auf den Gebrauch verschiedener Elektrondonoren und -akzeptoren testen, auf seine Sensitivität gegenüber Inhibitoren, und seine Produktion von Stickoxiden. Beginnend mit der bereits erstellten Rohsequenz des Genoms, werden wir dieses schließen und werden unsere Annotationen durch Transkriptomic und (limitierte) Proteomik-Analysen unterstützen, die uns in die am häufigsten exprimierten Proteine Einblick geben werden. Die vollständige Genomsequenz sowie Metabolomik studien werden uns helfen, die wichtigsten Stoffwechselwege des Organismus zu rekonstruieren. In Co-Kulturen von einem Ammoniak-oxidierenden Archaeon und einem Bakterium werden wir die Aktivität und Transkriptionsmustervergleichen, um Unterschiede in der Ökophysiologie der beiden Organismen(gruppen) heraus zu arbeiten. Insgesamt erwarten wir, durch unsere Studien, einen tieferen Einblick in diese weit verbreitete und potenziell ökologisch sehr bedeutsame Gruppe der Ammoniak-oxidizierenden Archaea zu erhalten.

Thaumarchaeota existieren zahlreich in fast allen aquatischen und terrestrischen Ökosystemen dieser Erde. Mikroorganismen dieses Phylums der Archaea gewinnen ihre Energie durch die Oxidation von Ammoniak, d.h. sie führen den ersten Schritt der Nitrifizierung durch, einen fundamentalen Prozess des globalen Stickstoffzyklus. Die wachsende menschliche Population und ihr zunehmender Bedarf an Nahrung machen die intensive Anwendung von Stickstoffdüngern zur gängigen Praxis in der Landwirtschaft und beeinflussen damit auch die mikrobiellen Gemeinschaften hat im Boden. Diese wurden in den vergangen Jahren eingehend untersucht. Allerdings ist die Isolierung und Kultivierung von Ammoniak oxidierenden Archaea aus terrestrischen Habitaten bis heute schwierig Das Ziel dieser PhD Arbeit war, eine Reinkultur eines Thaumarchaeoten aus dem Boden zu erhalten, seine Physiologie und Morphologie zu untersuchen und sein Genom mit verwandten Mikroorganismen zu vergleichen. Dies sollte dazu beitragen, unser Wissen über die Physiologie dieser Nitrifizierer zu verbessern, die weit verbreitet in terrestrischen Ökosystemen vorkommen und eine wichtige Funktion in natürlichen und anthropogenen Biotopen haben.Nitrososphaera viennensis wurde aus Wiener Gartenerde isoliert und als Reinkultur im Labor erhalten. Es ist ein obligat aerober neutrophiler Organismus, der durch die Oxidation von Ammoniak zu Nitrit Energie erzeugt. Er wächst überwiegend autotroph indem er zum Aufbau von Biomasse CO2 fixiert. Allerdings ist der Organismus zur Erhaltung einer Wachstumsrate von ca. 29 Stunden stark von der Zugabe organischer Säuren abhängig. Anstelle von Ammoniak kann N. viennensis auch Harnstoff als alternative Energiequelle verwenden. Er produziert das wirksame Treibhausgas N2O über einen Hybridmechanismus als Nebenprodukt der Ammoniakoxidation, jedoch anders als die bakteriellen Ammoniak Oxidierern nicht unter reduzierten Sauerstoffbedingungen. N. viennensis ist ein kleiner, unregelmäßig geformter, kokkoider und flagellierter Mikroorganismus mit einer proteinhaltigen Zellhülle, die wie die der hpyerthermophilen Archaea der Ordnung Sulfolobales eine p3-Symmetrie aufweist. Die Genome von N. viennensis und seinem nah Verwandten N. gargensis zeigen typische zelluläre Merkmale von Archaea und auch fundamentale Unterschiede im zentralen Metabolismus von Ammoniak oxidierenden Archaea und Bakterien auf. Die Genome weisen auch auf mögliche alternative Energiequellen dieser Archaea hin.Unsere Studie liefert eine Basis für zukünftige detaillierte funktionelle Analysen der Thaumarchaeota, die zu einem noch besseren Verständnis ihrer ökologischen Funktion und ihrer Rolle im globalen Stickstoffkreislauf führen werden sowie mögliche Hinweise auf eine Strategie zur Reduktion von Treibhausgasemmissionen geben können.