Funktionelle Untersuchung der ubiquitären Acidobacteria in terrestrischen Ökosystemen

Bakterien des Phylums Acidobacteria sind im terrestrischen Ökosystem "Boden" weltweit zu finden. Sie stellen ein monophyletisches Phylum dar, mit einer erstaunlich großen Diversität die mit der der Proteobacteria vergleichbar ist. Momentan sind 26 Subdivisionen bekannt. Das verbreitete Vorkommen und die hohe Abundanz dieser Acidobakterien basierend auf ribosomalen Gen-Sequenzen deutet darauf hin, dass sie ein Hauptbestandteil der mikrobiellen Gemeinschaft im Boden sind und ökologisch wichtige Funktionen in diesem Ökosystem ausüben. Allerdings ist ihre genaue Funktion durch eine nur sehr begrenzte Anzahl an kultivierten repräsentativen Stämmen und einem Mangel an Information ihres genomischen Potentials (sequenzierter Genome) noch größtenteils unbekannt. Es ist das Ziel dieses Projektes die Ökophysiologie und damit den Erfolg und die weite Verbreitung der Acidobakterien im Boden zu entschlüsseln. Die Kombination genomischer, Wachstum-basierender, molekularer und funktioneller Einzelzell-Analyse soll die Verknüpfung des genetische Potentials mit der Funktion von Acidobakterien in situ ermöglichen. Durch ein vom Joint Genome Institute gefördertes Sequenzierungsprojekt haben wir jetzt Zugang zu Genomen von mehreren Acidobacteria-Stämme innerhalb der Subdivisionen 1 und 3. Durch Annotationen dieser Genome werden wir das sog. "Pan-Genom" der Subdivision 1 ermitteln. Die somit identifizierten möglichen Funktionen werden mittels Wachstums-Experimenten ergänzend untersucht. In vorangegangen Studien war vor allem ein verbessertes Wachstum unter verringerten Sauerstoff-Konzentrationen auffällig, sowie ein Wachstum in Flocken. Erste Analysen der neu verfügbaren Genome zeigen, dass viele der Acidobacteria-Stämme ein Gen für die katalytische Untereinheit der terminalen Oxidase cbb3 besitzen (ccoN, fixN), die eine sehr hohe Affinität für Sauerstoff besitzt. Damit könnten diese Acidobakterien in Habitaten mit geringen Sauerstoff-Konzentrationen existieren, wie zum Beispiel in den zuvor genannten Flocken und in Boden- Aggregaten. Wir werden die Aktivität von Acidobakterien in Flocken sowie in Boden-Aggregaten verschiedener Größenklassen untersuchen, indem wir Expressions-Assays terminaler Oxidasen, Inkubationsexperimente mit stabilen Isotopen als Aktivitätsmarker und nachfolgende Einzelzell-Isotopen-Analyse mit Mikrosensor-Messungen von Sauerstoff kombinieren. Als weiteres Ziel wollen wir diese neu gewonnenen Informationen nutzten um die Isolierungsstrategien für Acidobakterien aus Bodenproben zu optimieren. Die zu erwartenden wissenschaftlichen Erkenntnisse sind: die (1) Identifizierung von Genen, welche die weite Verbreitung und hohe Abundanz der Acidobakterien im Boden erklären (z.B. Gene involviert im C und N Kreislauf, terminale Oxidasen mit hoher Sauerstoff-Affinität); (2) Entwicklung von Acidobacteria-spezifischen Primern für den Nachweis und die Expressionsanalyse von funktionelle Genen in Umweltproben, dadurch Verknüpfung von Genominformation und Funktion im natürlichen Habitat; (3) Untersuchung der Mikroaerophilie in Acidobakterien durch Wachstums-basierende Experimente und durch Einzelzell-Aktivitätsstudien in Kulturen und Umweltproben mittels NanoSIMS; und (4) Entwicklung und Optimierung von Kultivierungsstrategien um neuartige Spezies in diesem Phylum isolieren zu können.

Acidobakterien sind mit erstaunlicher Artenvielfalt weltweit in Böden zu finden. Ihre weite Verbreitung und Häufigkeit deuten darauf hin, dass sie dort ein wichtiger Bestandteil der mikrobiellen Gemeinschaft sind und eine ökologisch wichtige Rolle in der Umwelt spielen. Ihre Funktionen sind jedoch aufgrund der begrenzten Anzahl kultivierter Vertreter und eines Mangels an Informationen über ihr genetisches Potenzial noch weitgehend unbekannt. Böden stellen für Mikroorganismen Lebensräume mit unvorhersehbaren Bedingungen dar und bieten oftmals suboptimale Wachstumsbedingungen. Für ihre weite Verbreitung und Häufigkeit müssen Acidobakterien also besonders an diese Herausforderungen angepasst sein. Doch noch sind die genauen Mechanismen dafür weitgehend unbekannt. Durch eine Kombination von genomischen, wachstumsbasierten, enzymatischen und molekularen Analysen konnten wir Merkmale in Boden-Acidobakterien identifizieren, die helfen, ihren Erfolg im Boden zu erklären. Eine groß angelegte vergleichende Genomanalyse von 24 Acidobakterien-Stämmen zeigte ein vielfältiges Repertoire sowohl für die Kohlenstoff- als auch für die Stickstoff-Verwertung auf. Außerdem besaßen mehrere Stämme das genetische Potenzial, Energie aus atmosphärischem Wasserstoff-Gas zu gewinnen - ein Mechanismus, mit dem unter nährstoffarmen Bedingungen Energie erzeugt werden kann. Diese Fähigkeit wurde in Experimenten bestätigt, in denen Acidobakterien atmosphärischen Wasserstoff in stationärer Wachstumsphase aufnahmen, begleitet vor der Expression der dafür notwendigen Gene, den sogenannten Hydrogenasen. Begrenzter und fluktuierenden Zugang zu Sauerstoff ist ein weiterer potentieller Stressfaktor für Bodenmikroorganismen, da Sauerstoff z.B. in größeren Bodenaggregaten schnell verbraucht wird. In den Genomen der Boden-Acidobakterien konnten wir unterschiedliche Formen von respiratorischen Sauerstoff-Reduktasen nachweisen - solche mit hoher und geringer Affinität zu Sauerstoff. Entgegen unserer Theorie zeigten nachfolgende Experimente im Labor, dass Acidobakterien mit den gering-affinen Reduktasen in der Lage sind, geringste Mengen von Sauerstoff für ihre Atmung zu nutzen. Die Möglichkeit, mit den gleichen Enzymen sehr unterschiedliche Konzentrationen von Sauerstoff nutzen zu können, ist ein weiteres Beispiel ihrer Anpassung an den stark fluktuierenden Lebensraum Boden. In diesem Projekt haben wir die zu diesem Zeitpunkt größte vergleichende Genomanalyse von Acidobakterien durchgeführt und dadurch postulierte Physiologien nachfolgend in Wachstumsexperimenten getestet. Dabei entdeckten wir eine erstaunliche Flexibilität bezüglich der Nutzung von Sauerstoff und die Fähigkeit, atmosphärischen Wasserstoff zur Energiegewinnung zu nutzen. Dieses Projekt hat somit dazu beigetragen, Fähigkeiten der Acidobakterien aufzudecken, die ihren Erfolg im Boden erklären können.