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 Einzelne Proteine bei der Arbeit beobachten
08.12.2016 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Herz-Bindegewebe unter Strom
08.12.2016 | Universitäts-Herzzentrum Freiburg - Bad Krozingen

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: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einzelne Proteine bei der Arbeit beobachten

08.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Intelligente Filter für innovative Leichtbaukonstruktionen

08.12.2016 | Messenachrichten

Seminar: Ströme und Spannungen bedarfsgerecht schalten!

08.12.2016 | Seminare Workshops