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Mikroorganismen mit Bodenhaftung – Plasmide steuern Biofilm-Bildung im Ozean

11.03.2016

Typisch für die häufigen marinen Bakterien der Roseobacter-Gruppe ist der Wechsel zwischen mobilem und festsitzendem Lebensstil. Forscher des Leibniz-Instituts DSMZ konnten nun nachweisen, dass die dafür entscheidenden Gene in der Regel außerhalb des Chromosoms auf einem einzelnen Plasmid liegen. Es zeigt, dass sich auch komplexe Eigenschaften wie die Fähigkeit zur Biofilmbildung über horizontalen Gentransfer weitergeben lassen und dass dies in der Roseobacter-Gruppe sogar mehrfach vorgekommen ist.

Bakterien der Roseobacter-Gruppe gehören aufgrund ihrer vielfältigen Stoffwechseleigenschaften zu den häufigsten Mikroorganismen nährstoffreicher Küstengewässer. Zusammen mit anderen Bakterien bilden sie hochkomplexe Biofilme, die auch als „Städte der Mikroben“ bezeichnet werden; man findet sie aber auch frei schwimmend im Ozean. Ein flexibler Wechsel zwischen mobilem und festsitzendem Lebensstil ist typisch für viele Vertreter dieser Meeresbakterien. Entscheidende Voraussetzung dafür ist eine aktive Bewegung durch Flagellen und die reversible Anheftung an Oberflächen.


Biofilm aus Phaeobacter inhibens DSM 17395

Leibniz-Institut DSMZ

Jörn Petersen, Mikrobiologe am Leibniz-Institut DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen in Braunschweig konnte nun zusammen mit Kollegen nachweisen, dass die für die Biofilm-Bildung entscheidenden Gene der Roseobacter-Bakterien in der Regel außerhalb des Chromosoms auf einem einzelnen Plasmid liegen.

Petersen und seine Kollegen haben dafür 33 Stämme der Roseobacter-Gruppe physiologisch und genetisch untersucht. Sie konnten zunächst zeigen, dass alle starken Biofilm-Bildner auch beweglich sind. Darüber hinaus haben sie durch das gezielte Entfernen von Biofilm-Plasmiden nachgewiesen, dass sowohl die Fähigkeit zur Anheftung an Oberflächen als auch die zum Schwimmen verloren ging. „Die entscheidenden Erbinformationen müssen also auf diesen extrachromosomalen Elementen liegen“, erläutert Jörn Petersen.

Die Vererbung über Plasmide begünstigt eine vergleichsweise einfache Weitergabe ihrer Gene über die Artgrenze hinweg. „Unsere Studie zeigt, dass sich selbst so komplexe Eigenschaften wie die Fähigkeit zur Biofilmbildung über horizontalen Gentransfer weitergeben lassen“, so Petersen. In der Roseobacter-Gruppe ist das sogar mehrfach vorgekommen, was die zentrale Bedeutung der Plasmide für eine schnelle Anpassung an neue ökologische Nischen reflektiert.

Der Großteil der 33 untersuchten Roseobacter-Stämme repräsentiert Typusmaterial, also Referenzstämme der globalen Bakterien-Vielfalt, die in der Sammlung der DSMZ archiviert wird. Im Unterschied zu vorherigen Studien haben die DSMZ-Forscher diese Gruppe in ihrer kompletten evolutiven Bandbreite genetisch analysiert.

„Die vorliegende Untersuchung geht weit über anekdotische Befunde an Modellorganismen hinaus und dokumentiert die enge Verknüpfung von Grundlagenforschung und Sammlungsaktivität an der DSMZ. Dabei spiegelt sie auch deren Bedeutung als eines der weltweit führenden Ressourcenzentren für biologisches Material wider“, so Petersen.

Die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Untersuchungen erfolgten im Rahmen des Sonderforschungsbereiches (TRR51) „Roseobacter“. Die Ergebnisse haben die Forscher jetzt im renommierten Fachmagazin ISME Journal aus der Nature Publishing Group veröffentlicht.

Weitere Informationen:
Originalartikel:
Michael V, Frank O, Bartling P, Scheuner C, Göker M, Brinkmann H, Petersen J. (2016). Biofilm plasmids with a rhamnose operon are widely distributed determinants of the ʻswim-or-stickʼ lifestyle in roseobacers. ISME J [Epub ahead of print]. http://doi.org/10.1038/ismej.2016.30

Hintergrund:
Petersen J, Frank O, Göker M, Pradella S. (2013). Extrachromosomal, extraordinary and essential - the plasmids of the Roseobacter clade. Applied Microbiology and Biotechnology 97: 2805-2815.

Frank O, Michael V, Päuker O, Boedeker C, Jogler C, Rohde M, Petersen J. (2015). Plasmid curing and the loss of grip--the 65-kb replicon of Phaeobacter inhibens DSM 17395 is required for biofilm formation, motility and the colonization of marine algae. Systematic and Applied Microbiology 38:120-127.

Wissenschaftlicher Kontakt
PD Dr. Jörn Petersen
Abteilung Protisten und Cyanobacterien (PuC)
Leiter Projekt A5 „Plasmide“ Transregio Sonderforschungsbreich (TRR51)
Tel.: 0531 2616-209
E-Mail: joern.petersen@dsmz.de

Über das Leibniz-Institut DSMZ
Das Leibniz-Institut DSMZ – Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH ist eine Einrichtung der Leibniz-Gemeinschaft und mit seinen umfangreichen wissenschaftlichen Services und einem breiten Spektrum an biologischen Materialien seit Jahrzehnten weltweiter Partner für Forschung und Industrie. Als einem der größten biologischen Ressourcenzentren seiner Art wurde der DSMZ die Übereinstimmung mit dem weltweit gültigen Qualitätsstandard ISO 9001:2008 bestätigt. Als Patenthinterlegungsstelle bietet die DSMZ die bundesweit einzigartige Möglichkeit, biologisches Material nach den Anforderungen des Budapester Vertrags aufzunehmen. Neben dem wissenschaftlichen Service bildet die sammlungsbezogene Forschung das zweite Standbein der DSMZ. Die Sammlung mit Sitz in Braunschweig existiert seit 46 Jahren und beherbergt mehr als 52.000 Kulturen und Biomaterialien. Die DSMZ ist die vielfältigste Sammlung weltweit: neben Pilzen, Hefen, Bakterien und Archaea werden dort auch menschliche und tierische Zellkulturen sowie Pflanzenviren und pflanzliche Zellkulturen erforscht und archiviert. http://www.dsmz.de

Über die Leibniz Gemeinschaft
Die Leibniz-Gemeinschaft verbindet 88 selbständige Forschungseinrichtungen. Ihre Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute widmen sich gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevanten Fragen. Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Forschung, auch in den übergreifenden Leibniz-Forschungsverbünden, sind oder unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer, vor allem mit den Leibniz-Forschungsmuseen. Sie berät und informiert Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Leibniz-Einrichtungen pflegen enge Kooperationen mit den Hochschulen u.a. in Form der Leibniz-WissenschaftsCampi, mit der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Sie unterliegen einem transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen rund 18.100 Personen, darunter 9.200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Der Gesamtetat der Institute liegt bei mehr als 1,6 Milliarden Euro. http://www.leibniz-gemeinschaft.de

Christian Engel | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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