Welche Gene beeinflussen den Energiestoffwechsel von Archaea?

Ammoniak oxidierendes Archaeon "Nitrososphaera viennensis" weiter entschlüsselt

Mikroorganismen wie Bakterien und Archaea spielen eine unverzichtbare ökologische Rolle in den großen Stoffkreisläufen. Einem Forschungsteam um ERC-Preisträgerin Christa Schleper vom Department für Ökogenomik und Systembiologie der Universität Wien gelang es 2011, das erste Ammoniak oxidierende Archaeon aus Böden in Reinkultur zu isolieren und seine Aktivität nachzuweisen: "Nitrososphaera viennensis" – der "sphärische Ammoniakoxidierer aus Wien". In der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachjournals PNAS präsentieren die WissenschafterInnen neue Ergebnisse: Sie konnten sämtliche Proteine nachweisen, die während der Ammoniak-Oxidation aktiv sind – ein weiterer wichtiger Puzzlestein zur Aufklärung des Energiestoffwechsels von Archaea.

Noch immer werden Mikroorganismen häufig lediglich als Krankheitserreger wahrgenommen, obwohl die überwiegende Zahl von ihnen eine wichtige ökologische Rolle in den globalen Stoffkreisläufen spielt: Ohne die Stoffwechselleistungen der kleinsten aller Lebewesen, der Bakterien und Archaea, wäre ein Leben auf der Erde nicht möglich. Diese Mikroorganismen spielen eine zentrale Rolle in den großen Stoffkreisläufen, indem sie organische Materie zersetzen und die erhaltenen Grundbausteine in die Atmosphäre zurückführen oder für neues Leben verfügbar machen. Aus der Mikrobiomforschung ist mittlerweile auch bekannt, dass unsere Darmbakterien nicht nur unsere allgemeine Gesundheit, sondern sogar unsere Psyche beeinflussen.

Aber wie steht es mit den Archaea? Lange wurde diese zweite Gruppe der Mikroorganismen, die neben den Bakterien zu den Prokaryoten zählen, nur in heißen Quellen und anderen extremen Standorten gefunden. Erst vor gut zehn Jahren wurden die sogenannten Thaumarchaea in großer Zahl im Meerwasser aller Ozeane entdeckt, aber auch in Böden und Seen. Diese Archaea oxidieren Ammoniak zu Nitrit und sind aufgrund ihrer weiten Verbreitung offensichtlich maßgeblich an diesem wichtigen Schritt des Stickstoffkreislaufs beteiligt.

Der erste offiziell beschriebene Stamm eines solchen Archaeons ist "Nitrososphaera viennensis". Es stammt aus dem Garten des Universitätszentrums Althanstraße im 9. Wiener Gemeindebezirk und trägt aufgrund seiner Form und Herkunft den Namen "Nitrososphaera viennensis", der "sphärische Ammoniakoxidierer aus Wien". Eine einzelne Zelle weist einen Durchmesser von nur 0,8 Mikrometern auf, somit 0,8 Millionstel Meter.

Dieser wissenschaftliche Durchbruch im Jahr 2011 hat die Voraussetzungen dafür geschaffen, dass Christa Schleper mit ihrem Team und mit Kollegen des Vienna Metabolomics Centers (VIME) nicht nur die einzelnen Gene, sondern auch die Proteine eines Ammoniak oxidierenden Archaeons im Boden im Detail untersuchen konnte. "Da der Organismus nur zu einer sehr geringen Dichte wächst, mussten wir große Kulturen anzüchten, um genügend Biomasse zu erhalten", erklärt Christa Schleper.  Die WissenschafterInnen konnten nun erstmalig erforschen, welche der Gene dieses Modellorganismus in allen Thaumarchaeota vorkommen und welche davon während der Ammoniak-Oxidation aktiv sind.

"Unsere Studie erlaubt es, Hypothesen über den Prozess der Ammoniak-Oxidation aufzustellen und in der Folge experimentell zu überprüfen: Denn bis heute ist der grundlegende Energiestoffwechsel dieser zu den häufigsten Mikroorganismen auf unserem Planeten gehörenden Archaea noch nicht aufgeklärt", so die Mikrobiologin.

Weiters liefert die neue Studie erstmals Hinweise auf besondere Anpassungen der im Boden lebenden Vertreter der Archaea. Dazu gehören u.a. ihre Fähigkeiten, Biofilme zu bilden oder mit anderen Mikroorganismen zu interagieren. "Ein besseres Verständnis der im Boden lebenden Archaea ist von großer ökologischer Bedeutung: Da Archaea bei der Oxidation von Ammoniak weniger Treibhausgase als Bakterien bilden, ist es wichtig zu lernen, unter welchen Bedingungen sich Archaea bevorzugt in landwirtschaftlichen Böden vermehren lassen", erklärt Christa Schleper. In Zukunft könnte die Erforschung von "Nitrososphaera viennensis" auch medizinische Relevanz gewinnen, da nah verwandte Vertreter auf der menschlichen Haut zu finden sind.

Publikation in "PNAS":
Melina Kerou, Pierre Offre, Luis Valledor, Sophie Abby, Michael Melcher, Matthias Nagler,
Wolfram Weckwerth, and Christa Schleper: Proteomics and comparative genomics of
Nitrososphaera viennensis reveal the core genome and adaptations of terrestrial archaeal ammonia oxidizers, In: PNAS Online Early Edition, 14. November 2016
DOI: www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1601212113

Forschungsplattform Vienna Metabolomics Center: http://metabolomics.univie.ac.at/ 

Wissenschaftlicher Kontakt

Univ.-Prof. Dipl.-Biol. Dr. Christa Schleper

Leiterin der Division für Archaea Biology and Ecogenomics des Departments für Ökogenomik und Systembiologie der Fakultät für Lebenswissenschaften
Universität Wien
1090 - Wien, Althanstraße 14 (UZA I)
+43-1-4277-765 10
+43-664-60277-765 10
christa.schleper@univie.ac.at

Univ.-Prof. Dr. Wolfram Weckwerth

Department für Ökogenomik und Systembiologie
Universität Wien
1090 - Wien, Althanstraße 14 (UZA I)
+43-1-4277-765 50
+43-664-60277-765 50
wolfram.weckwerth@univie.ac.at

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