Archaeen: Vier Zellen ermöglichen überraschende Einsichten in die Mikrobiologie der Sedimente

Die im Meeresboden häufig vorkommenden einzelligen Archaeen sind auch mit dem Mikroskop leicht zu übersehen. Jetzt gelang es einem Team von Forschern, vier einzelne Zellen aus dem Meeresboden der Bucht von Aarhus zu isolieren und deren Genome zu kartieren. Ihre Ergebnisse publizieren sie jetzt im Wissenschaftsmagazin Nature.

Bis heute war nicht bekannt, wie und wovon die im Meeresboden sehr häufig vorkommenden Archaeen wirklich leben. Nachdem wir die Genome von vier verschiedenen Archaeen untersuchten und kartierten, wissen wir jetzt, dass Archaeen Proteine zersetzen können,“ sagt Dr. Dorthe Groth Petersen vom Center of Geomicrobiology in Aarhus. Bislang ging die Wissenschaft davon aus, dass im Meer die Proteine aus Biomasse nur von Bakterien zersetzt werden können, doch jetzt wird klar, dass Archaeen die Schlüsselrolle beim Proteinabbau spielen. Proteine stellen einen wichtigen Anteil an organischer Materie im Meeresboden, dem größten Speicher für Kohlenstoffverbindungen. Damit ist klar, dass Archaeen eine wesentliche Rolle im globalen Kohlenstoffhaushalt spielen.

Zahlreicher als Sandkörner am Strand

Obwohl Archaeen die häufigsten Lebewesen auf der Welt sind, haben nur wenige Menschen je von ihnen gehört und sie sind außerhalb der Wissenschaft eher unbekannt. Neben den Bakterien und den zellkernhaltigen Eukaryoten stellen die Archaeen den dritten Ast des Baums des Lebens dar. Entdeckt wurden sie in extremen Habitaten wie den heißen Quellen, aber auch in Kuhmägen und Reisfeldern, wo sie Methan bilden.

Erst in den letzten Jahren entdeckten Forscher, dass Archaeen sehr häufig vorkommen und einen großen Anteil der Lebewesen im Meeresboden stellen. Prof. Dr. Bo Barker, ehemaliger Direktor am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen und Leiter des Center of Geomicrobiology in Aarhus, sagt: „Eine realistische Schätzung ist, dass Archaaen die Gruppe Lebewesen auf der Erde mit den meisten Individuen ist. Die Anzahl an Archaeen ist größer als die Anzahl aller Sandkörner aller Strände auf der Erde. Also denken Sie daran, wenn Sie beim nächsten Strandbesuch ihre Zehen in den Schlick bohren. Sie kommen in Kontakt mit Milliarden Archaeen.“

Neue Technologie verbindet Funktion und Identität

Es ist das erste Mal, dass es Wissenschaftlern gelungen ist, Archaeen aus einer Sedimentprobe zu isolieren und ihre Genome zu charakterisieren.
„Heutzutage ist es leider noch nicht möglich, diese Archaeen im Labor in Kultur wachsen zu lassen. Deshalb konnten wir keine der üblichen physiologischen Tests durchführen und wir mussten anders vorgehen. Wir trennten die Zellen von ihrer Matrix, also den Sedimentkörnern, trennten sie weiter im Cell Sorter auf, vervielfältigten ihre Genome und kartierten die Gene. So konnten wir ihre Identität klären, also zeigen, dass es Archaeen waren und hatten gleichzeitig neue Information über ihre Lebensweise,“ sagt Prof. Andreas Schramm vom Center of Geomicrobiology.

Dr. Michael Richter von der Bremer Firma Ribocon hatte die Software zur Auswertung der Genomdaten entwickelt und die Analyse der Genome begleitet. „Nur mit den Genomsequenzen allein ist es leider nicht getan. Die Rohdaten müssen wie bei einem Buch in fremder Sprache zunächst in Worte, Sätze, Satzzeichen, Kapitel und Abschnitte sortiert werden, also die einzelnen Gene und Steuerelemente sichtbar gemacht werden. Und das schafft unsere Software. Die Forscher können dann komplette Stoffwechselwege und Transportprozesse der Zelle im Computer nachvollziehen.“

Diese Methode öffnet die Türen zu einer Welt neuen Wissens für Mikrobiologen. Forscher können damit einzelne Mikroorganismen untersuchen wie Zoologen eine einzelne Maus, eine Methode, auf die Mikrobiologen lange warten mussten. Denn bisher konnte man nur die Stoffwechsel der Mikroorganismen untersuchen, die auch in Kultur im Labor wachsen, und das sind nur 1%. Mit der neuen Methode hat man jetzt die Möglichkeit die restlichen 99% analysieren, und das sogar ohne Zellkulturen direkt aus der Natur. Neue unbekannte Funktionen von Mikroorganismen können so entdeckt werden.

Rückfragen an
Professor Andreas Schramm, Microbiology and Center for Geomicrobiology, Department of Bioscience, Aarhus University, +45 8715 6541/6020 2659, andreas.schramm@biology.au.dk

Dr. Michael Richter, Ribocon, Fahrenheitstraße 1, 28359 Bremen.
+49 421 2487053 mrichter@ribocon.com

Oder an die Pressesprecher des Max-Planck-Institiuts für Marine Mikrobiologie
Dr. Manfred Schlösser mschloes@mpi-bremen.de +49 (0) 421 2028 704
Dr. Rita Dunker rdunker@mpi-bremen.de +49 (0) 421 2028 856

Originalarbeit
Predominant archaea in marine sediments degrade detrital proteins
Karen G. Lloyd, Lars Schreiber, Dorthe G. Petersen, Kasper Kjeldsen, Mark A.
Lever, Andrew D. Steen, Ramunas Stepanauskas, Michael Richter, Sara Kleindienst,
Sabine Lenk, Andreas Schramm, Bo B. Jørgensen
Nature 2013, 10.1038/nature12033

Beteiligte Institute

Center for Geomicrobiology, Aarhus University, Denmark (geomicrobiology.au.dk)
University of Tennessee, Knoxville, TN, USA (www.utk.edu)
Bigelow Laboratory for Ocean Sciences, East Boothbay, Maine, USA (www.bigelow.org/)
Max Plank Institute for Marine Microbiology, Bremen, Germany www.mpi-bremen.de
Ribocon GmbH, Bremen (www.ribocon.com)