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Optimal bewirtet: Wie ein Bakterium einen ganzen Plattwurm versorgt

08.04.2019
Bremen

Im Sandboden warmer Küstengewässer lebt Paracatenula – ein kleiner Wurm, der weder Mund noch Darm besitzt. Trotzdem fehlt es ihm an nichts dank Riegeria, dem Bakterium, das den Großteil des Körpers des winzigen Wurms ausfüllt. Riegeria umsorgt seinen Wirt rundum – es ist Landwirt, Quartiermeister und Koch in einem. Ein internationales Forscherteam um Harald Gruber-Vodicka und Oliver Jäckle vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen hat nun herausgefunden, wie die Bakterien den Wurm mit Nahrung versorgen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie in der Fachzeitschrift PNAS.

Ob auf einer Expedition in der Antarktis, in der Raumfahrt oder auch nur beim Camping – wenn wir unser Essen nicht aus der Umgebung bekommen, müssen wir Proviant einpacken. ForscherInnen aus Bremen haben nun einen faszinierenden Rundum-Versorger in Form eines symbiotischen Bakteriums im sandigen Meeresboden der Insel Elba im Mittelmeer entdeckt. Das Bakterium lebt im Inneren seines Wirts, ein winziger Plattwurm, und liefert ihm alles, was er braucht. Es macht das so gut, dass der Wurm keinen Mund und keinen Darm mehr braucht. Es serviert die Speisen sogar in handlichen Portionen.

Passt perfekt: seit 500 Millionen Jahren ein Paar

Paracatenula ist ein mariner Plattwurm, der in den Sedimenten warmer Regionen lebt. Man findet ihn rund um den Globus überall dort, wo es Sand unter geschützten Bedingungen gibt – beispielsweise in Seegraswiesen, Korallenriffen oder Mangroven. Die weiße Färbung von Paracatenula ist ihren symbiotischen Bakterien zu verdanken, denn diese tragen eine Vielfalt von Speicherstoffen in sich. © Oliver Jäckle/Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie
Paracatenula ist ein mariner Plattwurm, der in den Sedimenten warmer Regionen lebt. Man findet ihn rund um den Globus überall dort, wo es Sand unter geschützten Bedingungen gibt – beispielsweise in Seegraswiesen, Korallenriffen oder Mangroven. Die weiße Färbung von Paracatenula ist ihren symbiotischen Bakterien zu verdanken, denn diese tragen eine Vielfalt von Speicherstoffen in sich. © Oliver Jäckle/Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

Die Bakterien und der Wurm sind schon seit mindestens 500 Millionen Jahren ein Paar. Im Laufe dieser Jahre hat der Symbiont sein Genom auf das Allernötigste reduziert. Dennoch ist er in der Lage, den Wurm mit allem zu versorgen, was dieser zum Leben braucht. „Die Proviantpakete des Bakteriums enthalten auf jeden Fall Fette und Eiweiße, vermutlich auch Zucker und Fettsäuren ebenso wie Vitamine und eine Reihe anderer Stoffe zur Energie- und Nahrungsversorgung“, so Harald Gruber-Vodicka vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen, Initiator und Leiter der Studie. „Das kennen wir von keiner anderen Symbiose, dass ein einziges Bakterium trotz eines so reduzierten Genoms so viele verschiedene Stoffe selbstständig produzieren und seinem Partner bereitstellen kann.“

Während Pflanzen Licht als Energiequelle zur Herstellung von Biomasse nutzen, verwenden die Symbionten chemische Energie in einem Prozess namens Chemosynthese. Sie nutzen die Energie aus Schwefelwasserstoff – jener Verbindung, die den Geruch von faulen Eiern hervorruft – im umgebenden Sediment, um Kohlendioxid in organische Verbindungen umzuwandeln. Diese dienen dann dem Wirt als Nahrung.

Nachhaltig ernten in der Paracatenula-Symbiose

Besonders überrascht waren die ForscherInnen davon, wie die Symbionten die Nahrung an den Wurm bringen. „In allen bisher bekannten chemosynthetischen Symbiosen verdaut der Wirt die Bakterien, um an deren Inhalt zu kommen“, erklärt Erstautor Oliver Jäckle vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen, der die Studie im Zuge seiner Doktorarbeit durchführte. „Manche chemosynthetische Symbionten besitzen zusätzlich sogenannte Transporter-Proteine, die die Lieferung der Nahrung an den Wirt übernehmen. Bei Paracatenula und seinen riesigen Symbionten fanden wir aber kaum Verdau oder Transporter-Proteine. Alles deutete auf einen anderen Mechanismus hin.“ Erst kurz vor Abschluss seiner Dissertation konnten Jäckle und Gruber-Vodicka das Rätsel mithilfe ihres Kollegen Niko Leisch und seiner Arbeit am Elektronenmikroskop lösen: Die Bakterien liefern dem Wurm viele kleine, tröpfchenartige Vesikel. „Es ist ein bisschen wie bei einem Obstgarten“, beschreibt Gruber-Vodicka diese Beobachtung. „Die Bakterien tragen kontinuierlich Früchte, die der Wurm erntet. Bei anderen Symbiosen geht es eher zu wie bei der Maisernte – wie ein Feld werden die Bakterien dort komplett abgeerntet, der Wurm verdaut die meisten Bakterienzellen. Das zeigt deutlich, wie bildgebende Analysen für das tiefe Verständnis der wechselseitigen Beziehung von Bakterien und Tieren entscheidend sein können.“

Harald Gruber-Vodicka vom Bremer Max-Planck-Institut bei der Feldarbeit. In Seegraswiesen vor der Mittelmeerinsel Elba sammelten die ForscherInnen solche sogenannten Sedimentkerne – Proben des Meeresbodens, in dem Paracatenula mit seinen bakteriellen Untermietern wohnt. © Manuel Kleiner
Harald Gruber-Vodicka vom Bremer Max-Planck-Institut bei der Feldarbeit. In Seegraswiesen vor der Mittelmeerinsel Elba sammelten die ForscherInnen solche sogenannten Sedimentkerne – Proben des Meeresbodens, in dem Paracatenula mit seinen bakteriellen Untermietern wohnt. © Manuel Kleiner
Paracatenula-Würmer in ihrer Labor-Heimat. Die Plattwürmer wohnen hier in Glasgefäßen, die u.a. mit Sand und Seegras-Pellets gefüllt sind. So können sie mittlerweile für mehr als 3 Jahre gehältert werden. © Oliver Jäckle/Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie
Paracatenula-Würmer in ihrer Labor-Heimat. Die Plattwürmer wohnen hier in Glasgefäßen, die u.a. mit Sand und Seegras-Pellets gefüllt sind. So können sie mittlerweile für mehr als 3 Jahre gehältert werden. © Oliver Jäckle/Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

Neue Einblicke dank interdisziplinärer Arbeitsweise

Die vorliegende Arbeit liefert einen bisher nicht dagewesenen tiefgreifenden Einblick, wie eine Symbiose mit einem mund- und darmlosen Wirten funktioniert. Neben den bildgebenden Verfahren trugen insbesondere die weitgreifenden Vergleiche mit ähnlichen Symbiosen, beispielsweise bei Muscheln oder Röhrenwürmern, zu einem detaillierten Verständnis dieser besonderen Symbiose bei. „Durch unsere interdisziplinäre Arbeit, die Genomik mit biochemischen und elektronenmikroskopischen Untersuchungen als auch physiologischen Experimenten kombiniert, konnten wir aus verschiedenen Blickwinkeln auf diese Symbiose schauen“, schwärmt Jäckle. Mit diesem Wissen und viel Geduld ist es Jäckle gelungen, Paracatenula seit mittlerweile drei Jahren im Labor zu halten und zu vermehren.

Studienleiter Harald Gruber-Vodicka (links) und Erstautor Oliver Jäckle (rechts). © Målin Tietjen/Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie
Studienleiter Harald Gruber-Vodicka (links) und Erstautor Oliver Jäckle (rechts). © Målin Tietjen/Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

Ausgehend von diesen spannenden Ergebnissen wollen Jäckle, Gruber-Vodicka und ihre KollegInnen nun das Genom des Wurms nutzen, um seine Rolle genauer zu untersuchen. „Der Wurm hat keine Mittel zur Ausscheidung, scheint aber auch keine Art von Zellmüll zu haben. Alles, was die Bakterien liefern, wird offenbar vom Wurm auf die eine oder andere Weise genutzt“, so Gruber-Vodicka. Zudem kommt Paracatenula nicht nur im Mittelmeer vor, sondern konnte bereits von den Bremer ForscherInnen an mehreren Standorten weltweit gesammelt werden. Derzeit vergleich sie, wie Symbionten verschiedener Wirtsarten die Nahrungsbereitstellung lösen, aber auch, wie sich diese Prozesse in den Linien der Paracatenula entwickelt haben, die sich vor zehn bis hundert Millionen Jahren in verschiedene Arten aufgeteilt haben.

Video: Paracatenula in Aktion

Originalveröffentlichung

Oliver Jäckle, Brandon K. B. Seah, Målin Tietjen, Nikolaus Leisch, Manuel Liebeke, Manuel Kleiner, Jasmine S. Berg, und Harald R. Gruber-Vodicka: Chemosynthetic symbiont with a drastically reduced genome serves as primary energy storage in the marine flatworm Paracatenula. PNAS. DOI: 10.1073/pnas.1818995116

Beteiligte Institute

  • Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Bremen, Deutschland
  • North Carolina State University, Raleigh, North Carolina, USA

Rückfragen bitte an:

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: 

2100

Telefon: 

+49 421 2028-947

Dr. Fanni Aspetsberger
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