DNA als Mahlzeit von Meeresboden-Mikroben

Sie ist nicht nur eine Bibliothek genetischer Informationen, sondern bereichert auch den Speiseplan von Mikroben: Desoxyribonukleinsäure – kurz DNA – ist ein wichtiger Nährstoff für Mikroorganismen. Ein internationales Team aus Forscher*innen unter der Leitung von Kenneth Wasmund und Alexander Loy von der Universität Wien hat in Sedimentproben des atlantischen Ozeans mehrere Bakterien entdeckt, die DNA als Nahrungsquelle nutzen. Ein von dem Team neu benanntes Bakterium ist sogar ein wahrer Experte in der DNA-Verwertung. Die Studie liefert neue Einblicke in die ökologische Vielfalt und Funktion der noch weitgehend unbekannten mikroskopischen Lebenswelt der Ozeane. Sie erscheint nun in Nature Microbiology.

DNA ist eine reichhaltige Nahrungsquelle für Mikroben
Der Speiseplan von Mikroben ist groß: Sie sind in der Lage unterschiedlichste Moleküle, darunter auch Biomoleküle wie Proteine und Fette von toten und verrottenden Organismen, als Nährstoff zu nutzen. Extrazelluläre DNA-Moleküle – das sind jene, die nicht oder nicht mehr in intakten Zellen sind – gehören dazu. "DNA ist aus Perspektive der Bakterien besonders nahrhaft", sagt Kenneth Wasmund, Mikrobiologe am Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft der Universität Wien und Erstautor der Studie. "Sie ist im Grunde ein Dünger, schließlich besteht sie aus einer Kette von Millionen von Zucker-Molekülen und phosphor- und stickstoffhaltigen Basen." Extrazelluläre DNA wird vor allem dann frei, wenn ein Organismus stirbt, und ist daher reichlich in der Umwelt vorhanden. Mikroben, die diese und andere Biomoleküle abbauen, spielen in den globalen biogeochemischen Kreisläufen eine wichtige Rolle, weil sie organisches Material aus dem Ozeanwasser recyceln und dadurch auch beeinflussen, wie viel Kohlenstoff in den Meeresboden gelangt. Jedoch sind nicht alle Mikroorganismen in der Lage, DNA als Nährstoff zu nutzen.

Meeresböden sind ein riesiger Lebensraum für viele noch unbekannte Mikroben
Einen riesigen Lebensraum für diese ökologisch so wichtigen Mikroorganismen stellen die schlammigen Sedimente des Meeresbodens dar, immerhin bedecken unsere Ozeane mehr als 70 Prozent der Erdoberfläche. Tausende Arten von Sedimentmikroben leben hier – die meisten davon sind noch weitgehend unbekannt. "Unsere Studie identifiziert einige dieser Mikroben und deckt ihre Lebensweisen auf. Sie sagt uns zugleich etwas darüber, was mit den Unmengen an DNA passiert, die ständig in der Umwelt frei werden, sich aber nirgendwo anreichern und entsprechend offenbar irgendwie recycelt werden", erzählt Kenneth Wasmund: "Wir haben nun untersucht, ob und wie Mikroben, die im Meeresboden leben, DNA als Nahrungsquelle nutzen", fügt er hinzu. 

Vielfältige Methoden zur Entschlüsselung von Bakterien, die DNA als Nahrung nutzen
Für die Studie sammelten daher Kolleg*innen der University of Calgary in Kanada Proben des Meeresbodens in der Baffin Bay, einem Randmeer des Atlantischen Ozeans zwischen Grönland und Kanada. Um in diesen Proben DNA-fressende Mikroben zu identifizieren und zu charakterisieren, nutzte das Forschungsteam eine Reihe experimenteller, analytischer und bioinformatischer Methoden. "Möglich waren die anspruchsvollen Mikrobiom-Analysen, weil wir hier aus der Expertise aller vier Abteilungen unseres Zentrums schöpfen und auf eine exzellente Forschungsinfrastruktur zurückgreifen konnten", berichtet Alexander Loy, Leiter der Forschungsgruppe an der Universität Wien.

In Laborexperimenten fütterten die Forscher*innen die Bakterien mit gereinigter DNA, die sie mit schweren Kohlenstoffatomen (13C) isotopisch markiert hatten. Unter anderem mittels eines spezifischen Isotopenbildgebungsverfahrens konnten sie anschließend den schweren Kohlenstoff verfolgen und daher sehen, welche Bakterien die markierte DNA abbauten. Darüber hinaus entschlüsselten die Wissenschafter*innen die Genome der DNA-verwertenden Mikroorganismen und konnten daraus ihr enzymatisches Potential und damit ihre Funktion ableiten.

Neuartige DNA-fressende Bakterien im Meeresboden
Die metagenomische Analyse zeigte, dass die Bakterien mit DNA-abbauenden Enzymen ausgestattet sind, die es ihnen ermöglichen, die DNA zu verkleinern, damit sie sie in die Zelle aufnehmen und verzehren können. Eine Bakterienart stach dabei hervor, weil sie über ein besonders ausgefeiltes Instrumentarium zum Abbau von DNA verfügte. Ihren Appetit auf DNA – auch Nukleinsäure genannt – trägt sie nun im Namen: Das Forschungsteam nannte sie Izemoplasma acidinucleici. 

Weitere Publikation:
Pelikan C, Wasmund K, Glombitza C, Hausmann B, Herbold C, Flieder M, Loy A. (2021). Anaerobic bacterial degradation of protein and lipid macromolecules in subarctic marine sediment. The ISME Journal. DOI: 10.1038/s41396-020-00817-6