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"Tischlein deck dich" in der Tiefsee

 
 
19.12.2017

Was uns "Metaproteomics" über den Geschmack von Tiefsee-Mikroorganismen verraten

 

In den sonnendurchfluteten Oberflächenschichten des Meeres wird organisches Material produziert, das als Basis des Nahrungsnetzes dient und auch größtenteils im Oberflächengewässer in Kohlendioxid und anorganische Nährstoffe zerlegt wird. Nur rund 10 bis 20 Prozent des organischen Materials sinken in die Tiefen des Ozeans und dienen den Lebensgemeinschaften der Tiefsee als Nahrung. Der Abbau von organischem Material wird dort vorwiegend von einer komplexen mikrobiellen Gemeinschaft bewerkstelligt, deren Zusammensetzung und Stoffwechsel sich mit zunehmender Tiefe ändert. Eine internationale Gruppe von ForscherInnen, geleitet von der Universität Wien und mit Beteilgung des Bremer Max-Planck-Instituts, konnte durch die Analyse von Proteinen von Tiefsee-Mikroben faszinierende Einblicke in deren Ökologie und die biogeochemischen Prozesse hinter dem Kreislauf von Kohlenstoff und anderen Elementen gewinnen. Die Ergebnisse der Studie erscheinen aktuell im renommierten Fachjournal "PNAS".

 

(basierend auf einer Pressemeldung der Universität Wien)

Im Oberflächenwasser der Ozeane betreiben einzellige Algen Photosynthese und teilen sich etwa alle zwei Tage. Diese einzelligen Algen bilden die Basis des Nahrungsnetzes im Meer. Der größte Teil der Algenbiomasse wird von tierischem Plankton gefressen, dessen Kotballen dann als Partikelregen in die Tiefsee sinken und den Tiefseelebewesen als Nahrung dienen. Der Großteil dieser Partikel wird von Mikroben zersetzt. Allerdings können diese Mikroben nur Nahrung in gelöster Form aufnehmen. Das bedeutet, dass die organischen Partikel zuerst durch mikrobielle Enzyme aufgelöst werden müssen, ehe die Mikroben sie „fressen“ können.

Neben den organischen Partikeln gibt es auch gelöstes organisches Material, da alle Organismen im Ozean direkt oder indirekt gelöste Substanzen über ihre Oberfläche ins Wasser abgeben. Während sich die molekulare Zusammensetzung von partikulärem und gelöstem organischen Material im Oberflächengewässer relativ wenig unterscheidet, wird der Unterschied mit zunehmender Tiefe im Ozean immer größer. Änderungen in der molekularen Zusammensetzung des organischen Materials mit der Tiefe sollten auch Änderungen in den Aufnahmesystemen der Mikroben bedingen, mit denen sie die organischen Moleküle in die Zellen einschleusen.

"Proteinshake"

In der aktuellen Studie untersuchte ein Team um Kristin Bergauer und Gerhard J. Herndl von der Universität Wien gemeinsam mit KollegInnen aus Odense (Dänemark), Bremen (Deutschland) und Maine (USA) den Stoffwechsel der mikrobiellen Gemeinschaft im Atlantischen Ozean in einer Tiefe von 100 Meter bis über 4.000 Meter.

Im Zentrum der Arbeit standen Transportproteine. Sie ermöglichen es den Mikroorganismen, Nährstoffe aus dem umgebenden Meerwasser aufzunehmen. "Mit einer Kombination aus Metaproteomik, Metagenomik und Einzelzell-Genomik konnten wir deutlich zeigen, dass miktobielle Transportwege in der Tiefsee vorhanden und aktiv sind", erklärt Antonio Fernandez-Guerra vom Bremer Max-Planck-Institut. Die ForscherInnen fanden erwartungsgemäß viele Veränderungen in den Transportwegen von organischem Material mit zunehmender Wassertiefe.

Zeichnung eines Wassertropfens
Zeichnung eines Wassertropfens, der die unterschiedlichsten chemischen Verbindungen enthält, z. B. Harnstoff (Urea), Vitamin B12 und Kohlenstoff. Ausschnitt zweier Mikroorganismen mit schematischer Illustration der äußeren Membran. ABC (ATP-binding cassette) Transportprotein mit der substrat-bindenden Proteineinheit (SBP). TRAP (tripartite ATP-independent periplasmic) Transportprotein mit dem C4-dicarboxylate-bindenden Rezeptor (DctP). (Copyright: Kristin Bergauer)

Über­ra­schen­der­wei­se gab es gro­ße Ähn­lich­kei­ten in den zel­lu­lä­ren Pro­te­inen, die von Mi­kro­ben ver­wen­det wer­den, um or­ga­ni­sches Ma­te­ri­al ab­zu­bau­en und mi­kro­bi­el­les Le­ben in der Tief­see zu un­ter­stüt­zen. “Die Viel­falt die­ser Trans­por­ter lie­fert der­zeit die bes­ten Hin­wei­se auf die or­ga­ni­schen und an­or­ga­ni­schen Ver­bin­dun­gen, die tat­säch­lich von Mi­kro­ben auf­ge­nom­men wer­den“, so Ger­hard Herndl von der Universität Wien.

Transportproteine liefern wichtige Hinweise

Erstaunlich war, dass die Häufigkeit von Transportproteinen mit der Tiefe zunimmt. Der Anteil dieser Transporter stieg von 23 % in 100 Meter Tiefe auf 39 % in der Tiefsee an. "Aufgrund der überraschenden Ähnlichkeit der Transportproteine der Mikroben vom Oberflächengewässer bis in die Tiefsee gehen wir davon aus, dass sich Tiefsee-Mikroben eher von dem Regen an organischen Partikel ernähren als vom Pool an gelöstem organischen Material", so Herndl.



 

Publikation in "PNAS plus"

"Organic matter processing by microbial communities throughout the Atlantic water column as revealed by metaproteomics": Kristin Bergauer, Antonio Fernandez-Guerra, Juan A. L. Garcia, Richard R. Sprenger, Ramunas Stepanauskas, Maria G. Pachiadaki, Ole N. Jensen, Gerhard J. Herndl

www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1708779115

Die Studie über den Abbau organischen Materials in der Tiefsee wurde unter anderem vom Wissenschaftsfonds (FWF) sowie vom European Research Council (ERC) gefördert. Die Arbeit ist Teil der Dissertation von Kristin Bergauer.

 

Wissenschaftliche Kontakte
Gerhard J. Herndl und Kristin Bergauer

Department für Limnologie und Bio-Ozeanographie
Universität Wien
1090 Wien, Althanstraße 14

T +43-1-4277-76431
M +43-664-60277-76431


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Rückfragen bitte an

Mag. Alexandra Frey
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
1010 Wien, Universitätsring 1
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Gastwissenschaftler

Forschungsgruppe Mikrobielle Genomik und Bioinformatik

Dr. Antonio Fernandez-Guerra

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Referentin der geschäftsführenden Direktorin

Dr. Fanni Aspetsberger

MPI für Marine Mikrobiologie
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Dr. Fanni Aspetsberger
 
 
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