Funktionelle Untersuchung der Woeseiaceae in Meeresböden

Ein Häufchen Meersand von der Größe eines Fingernagels beherbergt mehr als eine Milliarde Mikroorganismen. Obwohl diese sehr klein sind und sich äusserlich ähneln, so sind sie doch evolutionär sehr verschieden und haben sehr unterschiedliche Überlebensstrategien. Beides macht Meeresböden zu einem der mikrobiell komplexesten Ökosysteme der Erde. Trotz dieser enormen Artenvielfalt ist es Dr. Mußmann und seinem Team gelungen, eine der ersten Bakterien-Familien zu identifizieren, welche nahezu in jedem Meeresboden weltweit, von tropischen Stränden bis zur unwirtlichen Tiefsee, vorkommen. Der erste Vertreter der sogenannten Woeseiaceae wurde kürzlich beschrieben und nach dem berühmten Pionier der Molekularen Evolution, dem Amerikaner Carl Woese, benannt. Diese Bakterien sind zwar winzig, aber es kommen oft mehr als 10 Millionen Zellen in so einem Häufchen Meersand vor. Ihre weltweite Verbreitung und ihre große Häufigkeit legen nahe, dass sie eine bedeutende Rolle in Stoffkreisläufen der Meeresböden spielen. Daher ist es unerwartet, dass die Woeseiaceae bislang kaum im Labor gehalten und genauer studiert werden können. In diesem Projekt versuchen die Wissenschaftler nun dieses Problem zu überwinden und systematisch die Biologie der Woeseiaceae zu untersuchen, um erstmals Einlicke in die Aktivität dieser Bakterien in verschiedenen Meeresböden weltweit zu erlangen. Dazu wird das Team modernste genetische Methoden wie die Sequenzierung von DNA und RNA, welche direkt aus dem Meeresboden gewonnen wird, einsetzen. Mithilfe von Hochleistungsrechnern werden einzelne kleine Stückchen der genomischen DNA der Woeseiaceae zu mehreren großen Puzzles zusammengesetzt. Das Lesen und Verstehen der DNA Puzzles wird Anhaltspunktze liefern, warum gerade diese Bakterien so erfolgreich im Meeresboden sind und wovon sie eigentlich leben. Erste Ergebnisse solcher Analysen legen nah, dass die Woeseiaceae - so wir wir Menschen auch - gern Zucker und Proteine mögen und dabei Sauerstoff und CO2 atmen. Aber Woeseiaceae sind besonders: es scheint, als können sie auch von Wasserstoff, Schwefel, Nitrit und rostigem Eisen leben. Von besonderem Interesse ist dabei, ob sie ihr bislang unbestätigtes Potential nutzen, um aus Nitrit Lachgas (N2O), ein weiteres starkes Treibhausgas, zu produzieren. Daher werden die Wissenschaftler untersuchen, wieviel der beiden Treibhausgase CO2 und N2O die Woeseiaceae freisetzen. Aber einige Familienmitglieder können vermutlich auch giftige Schwefelverbindungen neutralisieren und dabei sogar CO2 im Meeresboden binden. Zunächst sind all dies noch Hypothesen, sozusagen nur Worte in der DNA. Daher ist es unerlässlich nun genauer im Labor zu erforschen, ob Woeseiaceae diesen Worten auch wirklich Taten folgen lassen. Die Experimente in diesem Projekt werden unser Verständnis der vielfachen Funktionen der rätselhaften Woeseiaceae gundlegend verbessern. Das genaue Wissen über die gegensätzlichen Eigenschaften, Klima-schädliche Gase freizusetzen und zu binden, hilft einzuschätzen, welche Bedeutung diese Bakterien für Stoffkreisläufe im Meer und damit für alles Leben auf der Erde haben.

In unserem Forschungsprojekt untersuchten wir die Woeseiales, eine Gruppe von Bakterien, die zu den häufigsten mikrobiellen Gruppen im Meeresboden zählen. Trotz ihrer Häufigkeit ist wenig über ihre physiologischen Eigenschaften bekannt, die zu ihrem Erfolg und ihrer Verbreitung beitragen. Unser Ziel war es, ein tieferes Verständnis ihrer Stoffwechseleigenschaften und ökologischen Funktion mithilfe molekularbiologischer Verfahrenzugewinnen.Ineinerumfassenden Probensammlung aus über 20 Ländern identifizierten wir Sedimente der Gezeitenzone in der Normandie, Frankreich, und überraschenderweise auch Haiaquarien-Sedim en te des Wiener Haus des Meeres als Standorte mit den höchsten relativen Häufigkeiten von Woeseiales. Durch die Sequenzierung von Erbinformationen/Nukleinsäuren aus diesen Sedimenten konnten wir Teile der Genome von Woeseiales zusammensetzen und in der bislang größten Vergleichstudie für diese Gruppe untersuchen. Wir entdeckten dabei, dass sie einen ungewöhnlich vielfältigen Stoffwechsel besitzen. Unter anderem können eine wichtige ökologische Rolle bei der Aufbereitung von Proteinen aus toten Organismen sowohl auf dem Meeresboden als auch im Wiener Haus des Meeres spielen. Obwohl sie Sauerstoff bevorzugen, überleben sie auch in tieferen Sedimenten, indem sie Fumarat, Schwefelverbindungen und vermutlich auch Eisen veratmen mit Wasserstoff Gas als Energiequelle. Auf der Suche nach Eisen- atmenden Woeseiales machten wir eine überraschende Entdeckung: Magnetit, eine einzigartige Form von Eisenoxiden, ist an Stränden weltweit verbreitet und wird oft von elektroaktiven Bakterien besiedelt. Diese Bakterien können Elektrizität erzeugen und im Magnetit speichern, um sie anderen Bakterien zur Verfügung zu stellen, die sie zur Fixierung von CO2 für ihr Wachstum verwenden, ähnlich wie Pflanzen. Dies ist das erste Mal, dass dieser kooperative Lebensstil in einer natürlichen Umgebung beschrieben wurde. Unsere Ergebnisse tragen zu einem tieferen Verständnis des Erfolgs der Woeiseiales und ihrer Rolle in Stoffkreisläufen im Meer bei bei.