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Upcycling in Symbiose: Von „minderwertigen“ Substanzen zu Biomasse

25.06.2019
ForscherInnen entdecken den ersten bekannten schwefeloxidierenden Symbionten, der rein heterotroph lebt

Bremer ForscherInnen haben ein Bakterium entdeckt, das als Symbiont die Abfallprodukte seines Wirts in Biomasse umwandelt. Kentron, der als Untermieter in Wimpertierchen lebt, ist der erste bekannte schwefeloxidierende Symbiont, der völlig heterotroph ist. Die Forschenden am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie berichten nun über dieses unerwartete Bakterium, das Abfall in Nahrung verwandelt.

Probennahme von Kentrophoros in Elba, Italien, und Nivå, Dänemark (Quelle: Brandon Seah (links), Silke Wetzel (rechts) / Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie)
Probennahme von Kentrophoros in Elba, Italien, und Nivå, Dänemark (Quelle: Brandon Seah (links), Silke Wetzel (rechts) / Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie)
Kentrophoros sp., gesammelt in Elba, Italien. Dieser Ciliat, der aus einer einzigen riesigen (> 1 mm) eukaryotischen Zelle besteht, trägt mehrere Millionen bakterielle Symbionten mit sich herum und erntet sie als Nahrung. Die Hälfte der in diesem Bild sichtbaren Biomasse besteht aus Bakterien. (Quelle: Brandon Seah / Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie)
Kentrophoros sp., gesammelt in Elba, Italien. Dieser Ciliat, der aus einer einzigen riesigen (> 1 mm) eukaryotischen Zelle besteht, trägt mehrere Millionen bakterielle Symbionten mit sich herum und erntet sie als Nahrung. Die Hälfte der in diesem Bild sichtbaren Biomasse besteht aus Bakterien. (Quelle: Brandon Seah / Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie)

Pflanzen nutzen die Lichtenergie der Sonne, um mittels Photosynthese Kohlendioxid (CO2) in Biomasse umzuwandeln. Tiere sind dazu nicht in der Lage. Deshalb haben sich einige von ihnen mit Bakterien zusammengetan, die die sogenannte Chemosynthese beherrschen. Die funktioniert fast wie Photosynthese, nur dass chemische Energie anstelle von Lichtenergie genutzt wird.

Viele Tiere brauchen chemosynthetische Bakterien, die sie mit Nahrung versorgen. Diese Symbionten wandeln CO2 in Biomasse um und werden anschließend von ihrem Wirt verdaut. Kentron, ein Bakterium, das das Wimpertierchen Kentrophoros ernährt, galt bislang als "einfach noch so ein" chemosynthetischer Symbiont. Neue Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass die Dinge anders liegen.

Aus Abfall wird Nahrung

Ein internationales ForscherInnenteam unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie sequenzierte das Genom von Kentron, dem schwefeloxidierenden Symbiont der Wimpertierchen (Ciliaten). „Entgegen unseren Erwartungen fanden wir keines der bekannten Gene, die für die Fixierung von CO2 erforderlich sind“, berichtet Erstautor Brandon Seah.

Wenn er kein CO2 binden kann, wovon lebt Kentron dann? „ Aus seinen Genen zu schließen, verwendet Kentron kleine organische Verbindungen und verwandelt diese in Biomasse“, erklärt Nicole Dubilier, Direktorin am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie und leitende Autorin der Studie. Dazu gehören Verbindungen wie Acetat oder Propionat ­– typische „minderwertige“ Abfallprodukte der Zellen. „So gesehen betreibt Kentron ein Upcycling, es wertet den Abfall auf. Kentron wandelt höchstwahrscheinlich Abfallprodukte aus der Umwelt und von ihren Wirten in höherwertige Biomasse um, um seinen Wirt zu ernähren.“

Isotopen-Fingerabdrücke bestätigen genetische Analysen

Kentrophoros ist ein dünnes, längliches Wimpertierchen, das in sandigen Meeresböden zuhause ist. Dort kann es leicht zwischen den Sandkörnchen hindurchgleiten. Bei der Ernährung ist es fast vollständig von seinen Symbionten abhängig, es hat nicht einmal mehr einen eigenen Mund. Seah, der mittlerweile am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen arbeitet, und seine KollegInnen sammelten Proben an Standorten im Mittelmeer, der Karibik und der Ostsee. Kentrophoros wächst und vermehrt sich aber nicht im Labor. Wie also konnten die ForscherInnen die Ernährungsgewohnheiten von Kentron untersuchen?

„Unsere Kollegen in Calgary und North Carolina haben eine Methode entwickelt, um sogar in unseren winzigen Proben den sogenannten Stabile-Isotopen-Fingerabdruck von Proteinen zu messen“, erklärt Seah. Dieser Fingerabdruck verrät einiges darüber, woher ein Organismus seinen Kohlenstoff bezieht. Der Fingerabdruck der Kentron-Bakterien ist ganz anders als jener von anderen chemosynthetischen Symbionten aus ähnlichen Lebensräumen. „Das zeigt deutlich, dass Kentron seinen Kohlenstoff anders bekommt als andere Symbionten.“

Lehrbuchwissen auf dem Prüfstand

Die vorliegenden Ergebnisse liefern ein Gegenbeispiel zur gängigen Lehrbuchmeinung. Diese besagt, dass symbiotische Bakterien den Großteil ihrer Biomasse aus CO2 oder Methan aufbauen. Im Gegensatz dazu scheint es Kentron nicht möglich zu sein, Biomasse so von Grund auf neu zu erzeugen. „Organische Substrate aus der Umwelt aufzunehmen und Abfälle ihrer Wirte zu recyclen könnte in diesen Symbiosen wichtiger sein, als bisher vermutet“, schließt Mitautor Harald Gruber-Vodicka vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie. „Das ist bedeutsam fürn ökologische Modelle des Kohlenstoffkreislaufs in der Umwelt. Wir sind schon gespannt, demnächst die Details und Vor- und Nachteile der beiden Strategien genauer zu untersuchen."

Die gleiche Art von Kentrophoros, gefärbt mit einem Fluoreszenzfarbstoff, der die DNA grün färbt. Die drei hellen Punkte in der Mitte sind die drei Zellkerne des eukaryontischen Wirts. Der grüne „Schleier“ überall sonst sind die dicht gepackten bakteriellen Symbiontenzellen, zu klein, um in diesem Bild einzeln unterscheidbar zu sein. (Quelle: Brandon Seah / Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie)
Die gleiche Art von Kentrophoros, gefärbt mit einem Fluoreszenzfarbstoff, der die DNA grün färbt. Die drei hellen Punkte in der Mitte sind die drei Zellkerne des eukaryontischen Wirts. Der grüne „Schleier“ überall sonst sind die dicht gepackten bakteriellen Symbiontenzellen, zu klein, um in diesem Bild einzeln unterscheidbar zu sein. (Quelle: Brandon Seah / Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie)

Originalveröffentlichung:

Brandon K. B. Seah, Chakkiath Paul Anthony, Bruno Huettel, Jan Zarzycki, Lennart Schada von Borzyskowski, Tobias J. Erb, Angela Kouris, Manuel Kleiner, Manuel Liebeke, Nicole Dubilier, Harald R. Gruber-Vodicka: Sulfur-oxidizing symbionts without canonical genes for autotrophic CO2 fixation. mBio. DOI: 10.1128/mBio.01112-19

Beteiligte Institutionen:

  • Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, 28359 Bremen
  • Max Planck Genome Centre Cologne, Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung, 50829 Köln
  • Max-Planck-Institut für Terrestrische Mikrobiologie, 35043 Marburg
  • Energy Bioengineering and Geomicrobiology Group, University of Calgary, Canada
  • Department of Plant and Microbial Biology, North Carolina State University, USA
  • MARUM Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen, 28359 Bremen

Rückfragen bitte an:

 
Dr. Brandon K. B. Seah

Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Bremen, Deutschland

Aktuelle Adresse: Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, Tübingen Deutschland

E-Mail: [Bitte aktivieren Sie Javascript]

Direktorin

Abteilung Symbiose

Prof. Dr. Nicole Dubilier

MPI für Marine Mikrobiologie
Celsiusstr. 1
D-28359 Bremen

Raum: 

3241

Telefon: 

+49 421 2028-932

Prof. Dr. Nicole Dubilier
Wissenschaftler

Abteilung Symbiose

Dr. Harald Gruber-Vodicka

MPI für Marine Mikrobiologie
Celsiusstr. 1
D-28359 Bremen

Raum: 

2551

Telefon: 

+49 421 2028-760

Dr. Harald Gruber-Vodicka

Leitung der Presse & Kommunikation

Pressestelle

Dr. Fanni Aspetsberger

MPI für Marine Mikrobiologie
Celsiusstr. 1
D-28359 Bremen

Raum: 

3248

Telefon: 

+49 421 2028-947

Dr. Fanni Aspetsberger
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