Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ungewöhnliche Symbiose zwischen marinen Mikroorganismen entdeckt

21.09.2012
Kleine einzellige Algen und stickstofffixierende Bakterien tauschen Kohlenstoff und Stickstoff in symbiotischer Beziehung aus und helfen so, die Weltmeere zu düngen.
Ein internationales Team von Wissenschaftlern aus den USA, Frankreich und Deutschland hat eine ungewöhnliche Symbiose zwischen kleinen einzelligen Algen und hochspezialisierten Bakterien entdeckt. Diese Symbiose zwischen den beiden Organismen ist bisher einzigartig und spielt eine wichtige Rolle bei der Düngung der Weltmeere mit Stickstoffverbindungen.

Die ersten Hinweise dieser Symbiose kamen ans Licht, als Forscher eine merkwürdige Mikrobe genauer untersuchten, die Stickstoff fixieren kann, jedoch nur ein stark verkleinertes Genom aufwies. Entdeckt hat sie John Zehr, Meeresforscher aus Santa Cruz, USA, schon 1998. Inzwischen schätzt man, dass dieses Bakterium mit zu den am weitesten verbreiteten Stickstoff-Fixierern, den photosynthetisch aktiven Cyanobakterien der Ozeane gehört. Allerdings fehlen dieser Spezies neben den Genen für die Photosynthese auch andere essentielle Gene für den Stoffwechsel. Es scheint so, dass diese Funktionen von der Wirtszelle, einer photosynthetisch aktiven Alge, übernommen werden.

„Das Cyanobakterium sorgt für die lebensnotwendigen Stickstoffverbindungen, die Wirtszelle für den essentiellen Kohlenstoff “, erläutert Anne Thompson, Post Doc im Labor von John Zehr. Mit ihrer Kollegin Rachel Foster vom Bremer Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie teilt sie sich die Erstautorschaft dieser Studie, zu der beide Forscherinnen in gleichem Maße beigetragen haben.

Um das Rätsel zu lösen, kamen Techniken wie Zellsortierung und DNA-Sequenzierung zum Einsatz. Die Wirtszelle gehört zur Klasse der weit verbreiteten Prymnesiophyten, die in allen Weltmeeren zu finden und die mit 1 bis 3 Mikrometern sehr klein sind. Das noch kleinere Cyanobakterium sitzt huckepack in einer Mulde der Wirtszelle.

Links: Daten von dem Zellsorter, mit dem das Rätsel um die Symbiose gelöst werden konnte. Die blauen Punkte stellen die Population der 1 bis 3 Mikrometer großen Organismen dar, zu denen auch UCYN-A gehört. Rechts: Die nanoSIMS-Bilder zeigen die Aufnahme von Kohlenstoff und Stickstoff (grün) in den Zellen. (Größenmaßstab: 3 Mikrometer). (Quelle: Rachel Foster)


An diesen Stellen im Pazifik wurden die Symbiosen gefunden.

„Diese Symbiose ist nicht nur wegen der Stickstofffixierung interessant. Wir sehen sie als frühes evolutionäres Modell, welches zur Entwicklung der heutigen Chloroplasten führte, “ sagt Zehr. Chloroplasten sind in allen Pflanzenzellen diejenigen Zellbestandteile, die die Photosynthese betreiben. Man kann sich die Entwicklung der Chloroplasten so vorstellen, dass in einer frühen Phase der Evolution symbiotische Cyanobakterien durch Endosymbiose in die Wirtszelle integriert wurden. „Und hier sehen wir Parallelen zu unser neu entdeckten Stickstoff-Fixierer-Symbiose“, sagt Thompson. „Es sieht so aus, dass das Cyanobakterium in einer kleinen Mulde auf der Wirtszelle sitzt. Und die Verbindung ist fest genug, um den Zellsorter zu überstehen, doch leider nicht stark genug für Filtrationstechniken.“

Die symbiotische Beziehung nachzuweisen, war kein Kinderspiel. Das Hauptproblem war anfangs die Probenaufbereitung.. Die Forscher konnten nur vermuten, dass das Cyanobakterium mit dem vorläufigen Namen UCYN-A in einer Art Symbiose leben musste.Denn im Genom des Cyanobakteriums fanden sie, dass wichtige Schlüsselgene des Stoffwechsels fehlten. Der Durchbruch kam, als die Forscher die frisch gewonnenen Wasserproben an Bord des Forschungsschiffes direkt durch den Zellsorter schickten. So blieb die Wirtszelle mit dem Cyanobakterium verbunden und ihre enge Verbindung konnte erstmals nachgewiesen werden.

Der nächste Schritt war, zu untersuchen, was genau zwischen Wirtszelle und Cyanobakterium an Austausch von Kohlenstoff und Stickstoffverbindungen passiert. Ein besonderes Massenspektrometer, ein nanoSIMS, kam hierfür zum Einsatz. Rachel Foster vom Bremer Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie erläutert das Verfahren: “Mit besonders markierten Substraten konnten wir den interzelluären Austausch nachweisen. Dazu gaben wir in diese mit 13C und 15N markierten Substanzen direkt in die Meerwasserprobe. Die Zellen nahmen die Verbindungen auf, anschließend schickten wir das Gemisch durch den Zellsorter und sammelten die Fraktion mit den 1 bis 3 Mikrometer großen Zellen.“
Um das gesuchte Cyanobakterium UCYN-A neben der Vielzahl anderer photosynthetisch aktiver Bakterien nachzuweisen, setzten die Bremer Max-Planck-Forscher eine besondere Gen-Sonde ein, die von Niculina Musat entwickelt wurde. Marcel Kuypers, Direktor am Max-Planck-Institut erklärt:“ Diese Gen-Sonde bindet nur an die gesuchten Cyanobakterien und trägt zusätzlich ein Fluor-Atom, das in dem nanoSIMS-Gerät ein deutliches Signal hinterlässt.“ Die nanoSIMS-Ergebnisse zeigten eindeutig die Assoziierung von Wirtszelle und Cyanaobakterium und die jeweiligen Mengen von Kohlenstoff und Stickstoff.

Thompson ist begeistert: „Das ist schon ein großartiges Messinstrument. Mit dem können wir gleichzeitig die Phylogenie und den Stoffwechsel der Zellen verfolgen. Oder vereinfacht gesagt: wer macht was mit wem.“

Wie hoch der Beitrag dieser Zellen an den globalen Kohlenstoff- und Stickstoffzyklen ist, lässt sich zurzeit noch nicht sagen. Zumindest sind diese besonderen Zellen sehr weit verbreitet und die Cyanobakterien tragen wahrscheinlich wesentlich zur globalen Stickstoff-Fixierung bei“, fasst JohnZehr die Ergebnisse zusammen.
„Untersuchungen zu planktonische Symbiosen gibt es nur wenige, weil diese schwierig zu untersuchen sind. Sie sind sehr zerbrechlich. In unserer Studie gelang es uns, die Strukturen zu bewahren. So konnten wir zum ersten Mal eine wechselseitige Partnerschaft im Plankton nachweisen“, sagt Rachel Foster.

Neben Thompson, Zehr und Erstautorin Rachel Foster haben noch Andreas Krupke, Niculina Musat, und Marcel Kuypers vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie, Brandon Carter von der UC Santa Cruz und Daniel Vaulot von der Pierre and Marie Curie University in Paris beigetragen. Diese Forschung wurde unterstützt durch die Gordon and Betty Moore Foundation und die Max-Planck-Gesellschaft.

Rückfragen bitte an

Dr. Rachel Foster, +49 421 2028 655, rfoster@mpi-bremen.de

Prof. Dr. Marcel Kuypers, +49 421 2028 602, mkuypers@mpi-bremen.de

Oder an die Presseabteilung des MPI

Dr. Manfred Schloesser, +49 421 2028704, mschloes@mpi-bremen.de
Dr. Rita Dunker, +49 421 2028856, rdunker@mpi-bremen.de

Original article with doi
Novel unicellular cyanobacterium is symbiotic with a single-celled eukaryotic alga
Anne W. Thompson, Rachel A. Foster, Andreas Krupke, Brandon J. Carter, Niculina
Musat, Daniel Vaulot, Marcel MM Kuypers, & Jonathan P. Zehr
Science 20.September 2012, doi/10.1126/science.1222700

Dr. Manfred Schloesser | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpi-bremen.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur
17.08.2017 | Deutsches Krebsforschungszentrum

nachricht Magenkrebs: Auch Bakterien können Auslöser sein
17.08.2017 | Charité – Universitätsmedizin Berlin

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Im Focus: Wissenschaftler beleuchten den „anderen Hochtemperatur-Supraleiter“

Eine von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) geleitete Studie zeigt, dass Supraleitung und Ladungsdichtewellen in Verbindungen der wenig untersuchten Familie der Bismutate koexistieren können.

Diese Beobachtung eröffnet neue Perspektiven für ein vertieftes Verständnis des Phänomens der Hochtemperatur-Supraleitung, ein Thema, welches die Forschung der...

Im Focus: Tests der Quantenmechanik mit massiven Teilchen

Quantenmechanische Teilchen können sich wie Wellen verhalten und mehrere Wege gleichzeitig nehmen, um an ihr Ziel zu gelangen. Dieses Prinzip basiert auf Borns Regel, einem Grundpfeiler der Quantenmechanik; eine mögliche Abweichung hätte weitreichende Folgen und könnte ein Indikator für neue Phänomene in der Physik sein. WissenschafterInnen der Universität Wien und Tel Aviv haben nun diese Regel explizit mit Materiewellen überprüft, indem sie massive Teilchen an einer Kombination aus Einzel-, Doppel- und Dreifachspalten interferierten. Die Analyse bestätigt den Formalismus der etablierten Quantenmechanik und wurde im Journal "Science Advances" publiziert.

Die Quantenmechanik beschreibt sehr erfolgreich das Verhalten von Partikeln auf den kleinsten Masse- und Längenskalen. Die offensichtliche Unvereinbarkeit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

Anbausysteme im Wandel: Europäische Ackerbaubetriebe müssen sich anpassen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Latest News

New thruster design increases efficiency for future spaceflight

16.08.2017 | Physics and Astronomy

Transporting spin: A graphene and boron nitride heterostructure creates large spin signals

16.08.2017 | Materials Sciences

A new method for the 3-D printing of living tissues

16.08.2017 | Interdisciplinary Research