Eine Reise zum Untergrund der Erde - Über die Interaktionen von Mikroorganismen und ihre Infektionen in tiefen Regionen der Erdkruste Von ...
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Die tiefe terrestrische Biosphäre der Erde beherbergt die Mehrheit
der Prokaryoten, also Archaeen und Bakterien, auf unserem
Planeten, und doch wissen wir sehr wenig darüber, wie diese
Mikroben miteinander, mit ihrem Ökosystem und potenziellen
Viren interagieren. Alexander Probst untersucht mit seiner
Arbeitsgruppe die Wechselwirkungen von Mikroben in tiefen
unterirdischen Ökosystemen, indem er deren Erbgut entschlüsselt.
Eine Reise zum
Untergrund der Erde
Über die Interaktionen von Mikroorganismen
und ihre Infektionen in tiefen Regionen der Erdkruste
Von Alexander Probst
O bwohl die Mehrheit der Bio-
masse auf der Erde von Pflan-
zen und Tieren bereitgestellt wird1,
nur die diversesten Lebewesen auf
unserem Planeten, sondern auch die
häufigsten: Heutige Hochrechnun-
mal drei mal 1029 Mikroorganismen
wiederfinden, beherbergen die Meere
etwa ein mal 1029 mikrobielle Zellen.
ist die Gruppe der Mikroorganismen gen gehen davon aus, dass die Erde Die Mehrheit und damit etwa 70
genetisch am vielseitigsten. Nach mit ungefähr ein- bis zweimal 1030 Prozent aller Mikroben ist jedoch im
wissenschaftlichen Hochrechnun- Prokaryoten besiedelt ist3. Obwohl Untergrund unseres Planeten behei-
gen existieren etwa 260.000 Arten ihre Größe gerade mal zwischen matet, also an Orten, die nur sehr
von Mikroben, die jedes denkbare einem knappen Millimeter (750 schwer für uns Menschen zugänglich
Ökosystemen besiedeln2. Die Mehr- µm) und 0,2 µm im Durchmesser sind3. Die Gesamtheit der Orga-
heit der Mikroorganismen gehört liegt, könnte man mit ihrer gesamten nismen, die im Untergrund leben
zu den Reichen der Bakterien und Anzahl nebeneinandergelegt die Erde bezeichnet man als tiefe Biosphäre.
Archaeen – gemeinsam als Prokaryo- circa zehnmal überziehen. Obwohl es vereinzelt Berichte von
ten bezeichnet – aber auch mikro- Mikroorganismen auf dem blauen Nematoden (Fadenwürmern) in
skopische Eukaryoten, wie das all- Planeten sind sehr unregelmäßig der tiefen Biosphäre gibt4, besteht
gemein bekannte Pantoffeltierchen, verteilt. Während wir in unserem sie unseres Wissens momentan fast
werden zu dieser Gruppe gezählt. Lebensraum auf der Oberfläche, der ausschließlich aus Prokaryoten, also
Mikroorganismen sind jedoch nicht sogenannten kritischen Zone, gerade Archaeen und Bakterien. Aber nichtAlexander Probst. Foto: Vladimir Unkovic UNIKATE 56/2021
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nur darin unterscheidet sich die tiefe
Biosphäre von der Biosphäre der
kritischen Zone. Licht, wesentlicher
Energielieferanten für viele Organis-
men auf der Erde, ist im Untergrund
nicht vorhanden. Ebenso findet sich
meist sehr wenig Sauerstoff, der für
Lebewesen auf der Erde der beste
Elektronenakzeptor für die Atmung
ist.
Entschlüsselung des Erbguts
der tiefen Biosphäre
Die Diversität von Prokaryoten
der tiefen Biosphäre innerhalb
eines Ökosystems kann sehr ein-
geschränkt oder aber auch extrem
groß sein (Abb. 1a). Zum Beispiel
kann ein Grundwasserleiter fast alle
bekannten bakteriellen Phyla ent-
halten5. Diese große Diversität kann
man jedoch nur mit molekularen
Methoden detektiert werden, da wir
nur 0,1 bis ein Prozent aller Mikro-
ben im Labor kultivieren können.
Metagenomik ist eine dieser mole-
kularen Methoden, bei welchen man
das komplette Erbgut (DNS) einer
mikrobiellen Gemeinschaft mittels
Sequenzierung untersucht. Da das
Erbgut nach einer Sequenzierung
ungeordnet vorliegt, muss dieses
zunächst in größere Bestandteile
assembliert und schlussendlich zu
Genomen, also DNS-Strängen eines
Mikroorganismus, wieder gruppiert
werden (Abb. 1b). Für beide Schritte
sind relativ komplexe Algorith-
men notwendig, trotzdem sind die
Ergebnisse nicht immer perfekt. Wir
konnten kürzlich zeigen, dass fast
in 80 Prozent der Fälle rekonstru-
ierte Genome durch menschliche
Korrekturen substanziell verbessert
werden können6. Dazu entwickelten
wir eine interaktive Software, die
wir sehr erfolgreich in verschiedenen (1) Stammbaum des Lebens basierend auf genomischen Daten und die Erzeugung von
Lehrveranstaltungen an der Univer- genomischen Daten aus Umweltproben.
a. Stammbaum basierend auf 3800 Genomen von Bakterien, Archaeen, und Eukaryoten.
sität Duisburg-Essen einsetzen und Einige Namen von Phyla und Klassen, die häufig in der tiefen Biosphäre vorkommen
nun auch öffentlich anderen Wis- sind entsprechend angegeben. Die Bakterien der Candidate Phyla Radiation sowie
senschaftler*innen zur Verfügung DPANN Archaeen sind hervorgehoben. Bitte beachten, dass die tiefen Abzweigungen
stellen6. Mit Hilfe dieser Software im Baum nicht aufgelöst sind, da noch Stand aktueller Forschung.
b. Schematischer Ablauf der Methode (Genom-aufgelöste Metagenomik) zur Erstellung
rekonstruierten wir hunderte von
von Genomen aus Umweltproben. Bitte beachten, dass der letzte Schritt hier einen Feh-
Genomen von Bakterien und Archa- ler des vorherigen ausbessert.
een der tiefen Biosphäre (z.B. Borne- Quelle: eigene Darstellung. 1a abgeaendert aus: https://link.springer.com/article/10.1007/s12268-019-1304-7UNIKATE 56/2021 59
mann7). Viele Gene dieser Genome roben pro Milliliter vorher, sodass Sauerstoff liegt11. In der Tat konnten
zeigten wenig Verwandtschaft mit diese Ökosysteme zugänglich durch wir mittels Isotopenanalysen von
bereits bekannten Genen in Daten- sogenannte CO2-Geysire als „Hots- Lipiden zeigen, dass die komplette
banken und wurde kurzerhand als pots“ der tiefen Biosphäre betrachtet Biozönose in CO2-angereicherter-
„dunkle Materie der Mikrobiologie“ werden können. CO2-Geysire sind ten Grundwasserleitern über CO2
bezeichnet8. Beispielsweise fanden in der Regel Kaltwassergeysire und als Kohlenstoffquelle angetrieben
wir neuartige CRISPR-Systeme haben darüber hinaus den Vorteil, wird10. Somit ist Autotrophie, also
(Clustered Regularly Interspaced dass sie sehr einfach Zugang zu anorganischen Kohlenstoff wie CO2
Short Palindromic Repeats) in noch Probenmaterial aus der Tiefe ermög- als Kohlenstoffquelle zu verwenden,
unkultivierten, kleinen, symbioti- lichen. Sie folgen meist einem regel- sehr weit in CO2-reichen Ökosyste-
schen Bakterien9. CRISPR-Systeme mäßigen Zyklus, der sich zwischen men verbreitet und man findet eine
sind allgemein Immunsysteme einigen Minuten bis mehrere Tage große Diversität an Mikroorganis-
von Prokaryoten gegen Viren oder strecken kann. Dabei wird Grund- men mit dieser Fähigkeit. Bestimmte
andere mobile genetische Elemente, wasser aus tieferen Schichten durch Mikroorganismen, Archaeen der
jedoch wird das System heutzu- aufsteigendes CO2 (aus dem Mantel Candidatus-Gattung Altiarchaeum,
tage massiv in der Erforschung des oder ausgewaschen aus Kalkstein) können in diesen Grundwasser-
menschlichen Genoms eingesetzt. zur Oberfläche gedrückt. CO2-Gey- leitern als dominante Prokaryoten
Dabei funktioniert das CRISPR-Sys- sire erreichen erstaunliche Aus- auftreten und circa 70 Prozent der
tem als „Genschere“, um das bruchshöhen; mit bis zu 70 Metern Gemeinschaft ausmachen7,11,12.
menschliche Genom zu editieren. ist der Geysir Andernach nahe der
Die im Untergrund gefundenen Vulkaneifel der weltweite Spitzen- Mit Enterhaken und Stacheldraht
CRISPR-Systeme waren kompakter reiter7. in der Tiefe verankert
als bisher bekannte Systeme und Die mikrobiellen Gemeinschaf-
sind ein vielversprechender Kandidat ten, die sich in Kaltwassergeysi- Organismen der Candidatus-Gat-
für zukünftige biotechnologische ren finden, können sehr einfach tung Altiarchaeum (Plural Altiar-
Anwendungen9. gestrickt7 oder aber auch relativ chaea) sind unkultivierte Mikroor-
komplex sein und fast 1.000 ver- ganismen und wurden nach dem
Entgasung aus dem Mantel schiedene Spezies umfassen10. lateinischen Adjektiv altus (tief)
als Antriebskraft für die Obwohl die Organismen in diesen benannt, da sie in der Tiefe der Erd-
tiefe Biosphäre Geysiren extremen Druck ausgesetzt kruste vorkommen. Sie gehörten
sind, unterscheiden sich die metabo- dem fast gleichnamigen Phylum
Bisher geht man davon aus, dass lischen Eigenschaften der mikrobiel- Altiarchaeota an, das tief im Baum
Mikroorganismen in tieferen Erd- len Gemeinschaften nicht unbedingt der Archaeen abzweigt13 und mit
schichten meist relativ inaktiv sind, von jenen anderer Ökosysteme im seiner globalen Verteilung (Abb.
nur wenig Metabolismus betreiben Untergrund7. Allgemein besitzen alle 2a) auch in marinen Sedimenten
und sich selten teilen. Dieser Frage Organismen der tiefen Biosphäre häufig vorkommt14. Der in seine
gingen wir nach, indem wir bak- eine große Kapazität, Wasserstoff Ökophysiologie am besten verstan-
terielle Genome von Proben aus zu verstoffwechseln, der entweder dene Organismus der Altiarchaeota
verschiedenen Tiefen der Erdkruste durch fermentative Mikroorganis- ist der namengebende Organismus
analysierten. Dabei machten wir uns men gebildet wird oder aber geo- Candidatus Altiarchaeum hami-
die Tatsache zu Nutze, dass Mikro- logischen Ursprungs ist. Gase aus conexum12. Organismen der Gat-
ben ihr Genom replizieren müssen, dem Mantel enthalten zum Beispiel tung Altiarchaeum formen in den
um sich zu teilen. Diese Replika- zu einem kleinen Prozentteil auch Ökosystemen oft sehr reine Bio-
tion kann man über die Anzahl der Wasserstoff und Schwefelwasser- filme, die nicht nur mit extrazellulä-
Sequenzbruchstücke im Metagenom stoff, deren Oxidation die nötige ren polymeren Substanzen, sondern
entsprechend abschätzen. Mit Hilfe Energie für das Leben in der Tiefe auch mit speziellen Zellanhängen
unserer Analyse sagten wir vorher, möglich macht. Zusammen mit der zusammengehalten werden15. Diese
dass mit zunehmender Tiefe die Tei- Fixierung von CO2 ist diese Lebens- Zellanhänge haben eine Stachel-
lung der Bakterien linear abnimmt7. weise als Chemolithoautotrophie draht-Struktur und am Ende einen
Jedoch stellten Ökosysteme, die bekannt. Je nach Konzentration von Enterhaken16 (Abb. 2b&c). Die
durch Entgasung von hohen Mengen Sauerstoff herrschen innerhalb der Energie zum Wachstum dieses
von Kohlendioxid (CO2) aus dem CO2-kontaminierten Grundwas- Organismus’ kommt vermutlich aus
Mantel oder Kalkstein beeinflusst serleiter verschiedene CO2-Fixie- geologisch freigesetztem Wasserstoff
sind, eine Ausnahme dar. Hier sagten rungswege bei Mikroorganismen in diesen Regionen7 und somit fun-
wird durchweg hohe Teilungsraten vor, was unter anderem an der giert dieser als Primärproduzent für
und Zellzahlen bis 5 mal 106 Mik- Sensitivität der Enzyme gegenüber einen Großteil der Biozönose.60
(2) Globale Verbreitung von Altiarchaeota und ihre Ultrastruktur.
a. Verteilung von Altiarchaeota basierend auf 16S rRNA-Genen und Metagenomen (nach: Bird JT, Baker BJ, Probst AJ, Podar M, Lloyd
KG. Culture independent genomic comparisons reveal environmental adaptations for Altiarchaeales. Front Microbiol 2016; 7: 1221.
b. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Altiarchaeota Zellen. Die Verbindungen zwischen den Zellen sind durch Hami
aufgebaut. Weiße Pfeile zeigen auf einzelne Hami. (Bildnachweis: Christine Moissl-Eichinger, TU Graz, und Gerhard Wanner, LMU
München)
c. Schematischer Aufbau des Hamus aus einer Proteinuntereinheit. Der Hamus wird zwischen der inneren und der äußeren Membran
der Zelle zusammengebaut und bildet eine basale Stacheldraht-ähnliche Struktur mit einem terminalen Haken.
Quelle: Nachempfindung aus: Probst AJ, Weinmaier T, Raymann K, Perras A, Emerson JB, Rattei T, et al. Biology of a widespread uncultivated archaeon that contributes to
carbon fixation in the subsurface. Nat Commun 2014; 5: 5497.
Altiarchaea kommen in tiefen men auch verwandt7. Diese strikte che können Altiarchaea nur maximal
Grundwasserleitern auf fast jedem Biogeographie gilt von Europa über drei Tage in Symbiose mit schwefe-
Kontinent vor. Die Spezies sind Asien nach Amerika. Aufgrund der loxidierenden Bakterien überleben,
sehr nah verwandt und tragen einen hohen Verwandtschaft und tiefen die sie ummanteln und dabei für ein
sehr ähnlichen genetischen Anteil, Abzweigung im Baum der Archaeen anaerobes Milieu sorgen17.
das man als Pangenom bezeichnet. konnten wir schlussfolgern, dass
Rekonstruktion von Verwandt- die evolutionäre Rate der Altiar- Symbionten mit minimalem
schaften der Genome zeigen, dass chaea sehr gering ist7 auch wenn sie Metabolismus erzeugen enge
die Arten sich in Abhängigkeit der sich ständig in Teilung befinden12. mikrobielle Interaktionen
geographischen Distanz unabhän- Man kann spekulieren, dass sich
gig voneinander entwickelt haben Altiarchaea mit Enterhaken in den Obwohl Organismen der Gattung
(Abb. 2c). Je geringer dabei die geo- Sedimenten der Grundwasserleiter Altiarchaeum oft ihre Ökosys-
graphische Distanz zwischen den festhalten und aufgrund ihrer Sau- teme dominieren, gibt es andere
Grundwasserleitern der Altiarchaea erstoffsensitivität nicht überirdisch Mikroorganismen, die sehr eng
ist, desto näher sind die Organis- verbreitet werden. Auf der Oberflä- mit ihnen zusammenleben. DieseUNIKATE 56/2021 61
Organismen wurden nach Prof. ein Zusammenleben zweier Orga- Zweig des archaeellen Baum des
Dr. Robert Huber benannt, dem nismen mit beiderseitigem Nutzen Lebens wurde nach den initialen
Entdecker der Altiarchaeota und definiert (Mutualismus). Bisher Phyla benannt, die bei deren Defi-
heißen somit Huberarchaeota (die wurde kein Nutzen für Altiarchaea nition bekannt waren, nämlich Dia-
Candidatus Spezies Huberiarcha- in diesem Zusammenleben in den pherotrites, Parvarchaeota, Aenig-
eum crystalense11). Huberiarchaea Daten entdeckt, sodass durchaus marchaeota, Nanoarchaeota und
wurden bisher in zwei Ökosystemen ein Kommensalismus denkbar ist Nanohaloarchaeota8. Mittlerweile
der tiefen Biosphäre gefunden, in (eine Art hat einen Vorteil durch das sind aber schon viele weitere Phyla
einem CO2-getriebenen Geysir in Zusammenleben, die andere keinen in diesem Zweig bekannt21,22,23, der
den USA (Crystal Geyser, Utah), Vor- oder Nachteil). Jedoch berei- auch die oben genannten Huberar-
dessen Wasser aus mehreren hundert chert sich H. crystalense durchaus chaeota beinhaltet20. Interessanter-
Metern Tiefe kommt11 und in einem an den Nährstoffen der Altiarchaea, weise haben alle Organismen einen
Untergrund-Wissenschaftslabor in sodass H. crystalense auch als Parasit sehr minimalen Metabolismus und
Japan auf 250 Meter Tiefe19. Beide betrachtet werden kann. Die eng- sind vermutlich alle Symbionten.
Systeme haben eine komplett unter- lischsprachige Definition von Sym- Bis auf eine Ausnahme, Organismen
schiedliche Geologie und es besteht biose (engl. symbiosis) ist hierbei der Diapherotrites. Diese haben
kein Austausch zwischen den Sys- viel zutreffender, denn sie beschreibt vermutlich durch horizontalen Gen-
temen, sodass hier eine getrennte das Zusammenleben zweier Orga- transfer Gene von Bakterien aufge-
Evolution der Systeme stattgefunden nismen ungeachtet der Tatsache ob nommen und so ihr Genrepertoir
hat. Bisher ist nur das Zusammenle- Mutualismus, Kommensalismus oder erweitert um wieder unabhängig
ben von Huberiarchaeum crystalense Parasitismus vorliegt. Aus diesen von anderen Organismen leben
und Altiarchaea beschrieben20. Beide Gründen wird auch im fortlaufenden zu können24. Lange war man auf
Organismen treten dabei oft direkt Text die englischsprachige Definition der Suche nach einem Organismus
miteinander assoziiert auf, das heißt, von Symbiose angewendet. der Diapherotrites, der ebenfalls
das kleinere H. crystalense sitzt auf Huberarchaeota sind aber nicht nur die rudimentären, reduzierten
den Altiarchaea (Abb. 3a). Nachdem die einzigen Symbionten der tiefen metabolischen Eigenschaften besaß.
die Genome beider Organismen Biosphäre. Es gibt viele weitere Aus einem CO2-getrieben Geysir
rekonstruiert wurden, konnte man kleine Archaeen der sogenannten konnte man ein komplettes Genom
das metabolische Potential ermitteln. DPANN-Superphylums21. Dieser eines solchen Diapherotrites rekon-
Die Ergebnisse deuten auf direkte
Abhängigkeit von H. crystalense von
Altiarchaeum hin. Im Detail kann
H. crystalense die meisten Bausteine
für die Synthese von DNS, RNS
und Proteine nicht selbst herstellen.
Diese bezieht es vermutlich von den
Altiarchaea. Gleichzeitig kann es
keine reduzierten Redoxäquivalente
herstellen, was darauf hindeutet,
dass es einen direkten Austausch der
Zellinhalte geben muss (Abb. 3b20).
Dieser Aspekt spiegelt sich auch in
der Tatsache wider, dass fluoresenz-
mikroskopische Aufnahmen oft eine
Überlappung der Signale von H.
crystalense und Altiarchaea darstell-
ten20. Wie der Austausch von Meta-
boliten zwischen den Organismen
jedoch stattfindet, ist Bestandteil der (3) Symbiose zwischen Altiarchaeum und Huberiarchaeum.
a. Fluoreszenz in-situ Hybridisierung, die das Altiarchaeum in der Mitte (dunkles Grau)
aktuellen Forschung.
flankiert von zwei Huberarchaeota Zellen zeigt (helles Grau20).
Das Zusammenleben der beiden b. Metabolische Modellierung der Stoffwechselwege der beiden Organismen. Das
Organismen in mehreren hun- Altiarchaeum produziert Energie und Zellbausteine mittels seiner chemolithoautotrophen
dert Meter Tiefe wirft natürlich Lebensweise; Huberiarchaea greifen diese Nährstoffe entsprechend ab, wobei Altiarchaea
die Frage auf, ob es sich um eine keinen ersichtlichen Nutzen daraus ziehen. Für Altiarchaeota ergibt sich daraus der
Nachteil von Nährstoffverlust (Parasitismus der Huberiarchaea20).
direkte Symbiose handelt. Im klas- Quelle: Probst AJ (2020). Zusammen in Dunkelheit - mikrobielle Interaktionen in der Erdkruste. BIOspektrum
sischen Sinne ist eine Symbiose als 26:255-25862
struieren und dessen metabolische mehr als die Hälfte der Diversität wechselwege essentiell sein. In einer
Einschränkungen ähnlich anderer des Mikrobioms des CO2-getrieben Studie, in welcher wir Genom-auflö-
DPANN-Archaeen beweisen. Das Kaltwassergeysirs Crystal Geyser sende Metagenomik mit Lipidomik
Genom dieses Organismus, der aus CPR-Organismen zusammenge- auf Proben eines Kaltwassergeysirs
nach dem bekannten Archaeenfor- setzt11. anwendeten, konnten wir CPR-Bak-
scher Dr. Patrick Forterre benannt Hinsichtlich ihres Metabolismus terien gezielt Lipide zuweisen10.
wurde (Candidatus Forterrea besitzen CPR-Organismen eine Dabei nutzten wir eine korrela-
multitransposorum), enthielt sehr ähnlich reduzierte Kapazität wie tive Analyse der Metagenom- und
viele mobile genetische Elemente, DPANN-Archaeen. Sie können de Lipidomdaten, die CPR-Bakterien
genauer Transposons25. Diese wan- novo keine Nukleotide, Fettsäu- eindeutig Fettsäure-basierte Lipide
derten innerhalb des Genomes und re-basierte Lipide oder Aminosäuren zuwies. Kausalität zwischen den
vermutlich der Population hin und synthetisieren und auch die Bio- Fettsäure-basierten Lipiden und
her, was die ursprüngliche Rekonst- synthese der meisten Co-Faktoren CPR-Bakterien erlangten wir durch
ruktion erschwerte. Phylogenetisch und Vitamine sind nicht in deren Abtretung der CPR-Bakterien mit-
betrachtet war F. multitransposorum Genome kodiert. Die externe Auf- tels eines 0,2 µm-Porenfilters und
basierend auf ribosomaler RNA nahme von Nukleotiden wurde folgender Infrarotspektromikros-
das tiefabzweigenste Archaeum zum Beispiel für ein CPR-Bakte- kopie10. Interessanterweise besitzen
innerhalb der bisher bekannten Dia- rium des Phylums Saccharibacteria CPR-Bakterien aber auch einen
pherotrites, und man hatte somit gezeigt27. Saccharibacteria sind auch großen Anteil an Lysolipiden, das
deren ursprüngliche Reduziertheit die einzigen Vertreter der CPR, die sind Lipide mit einer Glyceringrund-
der Genome bewiesen25. bereits unter Laborbedingungen struktur und nur einer veresterten
über längere Zeit hinweg gezüch- Fettsäure (anstatt zwei Fettsäuren).
Die tiefe Biosphäre ist voll tet werden können. Sie sind dabei Bisher dachte man, dass Lysolipide
von kleinen Symbionten von der Anwesenheit eines anderen vor allen Dingen Abbauprodukte in
Bakteriums, ihres Wirtes, abhängig der Natur sind, jedoch wurden sie
Innerhalb der Domäne der Bakte- und können somit nur in Ko-Kultur hier als intakte polare Lipide in den
rien existiert ein Pendant zu den gehalten werden28. Wird ein anderer CPR-Bakterien entdeckt. Welche
DPANN-Archaeen, die sogenannte Stamm der gleichen Spezies als Wirt genaue Funktion sie haben, ist
Candidate Phyla Radiation22. Diese verwendet, so kann es vorkommen, momentan aktueller Forschungsge-
umfasst je nach Studie zwischen dass die Saccharibacteria mit diesem genstand, jedoch gibt es die Vermu-
15 Prozent und 30 Prozent der dann nicht mehr in einer Gemein- tung, dass die Lyslipide vielleicht für
gesamten Diversität aller Bakterien schaft leben, sondern diesen töten, die Krümmung der Membranen der
auf unserem Planeten und ist somit also die Zellen lysieren31. Somit kleinen Zellen notwendig sind10.
um ein Vielfaches diverser als das können CPR-Bakterien nach der Obwohl vermutet wird, dass die
DPANN-Superphylum der Archa- englischsprachigen Definition als meisten CPR-Bakterien Symbionten
een. Organismen der CPR sind Symbionten betrachtet werden, die sind, bleibt es unklar, was ihre wirk-
in der Regel sehr kleine kokkoide manchmal auch parasitär sind. liche Funktion in Ökosystemen ist.
Zellen mit einem Durchmesser von Eine große Frage hinsichtlich Aufgrund der Tatsache, dass manche
0,2–0,3 µm26. Diese kleine Zellgröße der Zellbiologie von CPR-Bakterien Ökosysteme eine größere Diversität
ist auch dafür verantwortlich, dass betrifft die Quelle ihrer Lipide für von CPR-Bakterien als potentielle
sie bei einer Sterilfiltration von ihren Membranaufbau. Während Wirte (andere Bakterien) haben11,
Lösungen (die standardmäßig mit bekannt ist, dass manche Archaeen kommt man zur Schlussfolgerung,
einem 0,22 µm Filter durchgeführt Lipide aus der Umgebung recy- dass entweder ein Wirt mehrere
wird) nicht entfernt werden. Der celn können32, ist es unklar woher Symbionten haben kann oder aber
dabei verwendete Druck reicht aus, CPR-Bakterien ihre Lipide bekom- auch manche CPR eine relativ unab-
die Zellen durch die Poren des Fil- men. Eine erste Hypothese war, hängige Lebensweise besitzen. In
ters zu quetschen. CPR-Bakterien dass CPR-Bakterien keine Lipide der Tat kommen sie zum Beispiel
kommen in fast allen denkbaren haben, die aus Fettsäuren aufgebaut in Crystal Geyser vor allen Dingen
Habitaten vor. Man findet sie in sind, sondern aus Isoprenoid-Un- in anoxischem Grundwasser vor,
normalen Böden27, im Mikrobiom tereinheiten, ähnlich der Archaeen. das gerade atmosphärischem Sauer-
der menschlichen Mundschleim- Diese Hypothese wurde durch die stoff ausgesetzt wurde11. In diesem
haut28 und sogar in extrem trockenen Tatsache unterstützt, dass manche Übergangsbereich erfahren Mik-
Habitaten der Atacama-Wüste29. Die CPR-Bakterien das genetische roorganismen viel Stress und viele
größte Diversität von CPR existiert Potential zur Isporenoidsynthese Mikroben lysieren und setzen dabei
jedoch in aquatischen Systemen30 besitzen22. Jedoch kann der Bio- deren Zellinhalt als Nährstoffe frei.
wie Grundwasser5. Zum Beispiel ist syntheseweg auch für andere Stoff- Davon können sich theoretisch vieleUNIKATE 56/2021 63
CPR-Bakterien ernähren und somit benutzten wir ein Verfahren, das und damit Ökosystemen nötig um
würde ihnen die Funktion des Recy- wir virus-targeted genome FISH ein systematisches Verständnis für
celns von Nährstoffen im Ökosys- nennen (FISH für Fluoreszenz in die Diversität und Metabolismus zu
tem zufallen. Diese Lebensweise situ Hybridisierung). Dieses Ver- erreichen. Dabei gilt auch zu beach-
kann gerade in der tiefen Biosphäre, fahren basiert auf dem Design von ten, dass neue Bohrungen in tiefe
wo oft Nährstoffknappheit herrscht, doppelsträngigen DNS-Sonden, die Erdschichten oft mit erheblichem
durchaus Vorteile bringen und stellt mit Fluoreszenzfarbstoffen mar- (finanziellen) Aufwand einhergehen
mit Sicherheit eine wichtige biologi- kiert werden, und gegen die DNS und die dabei angebohrten Ökosys-
sche Nische dar. in Umweltproben hybridisiert teme ge- oder gar zerstört werden.
werden. Dabei konnten wir spezi- Die Kontaminationskontrolle von
Vireninfektionen setzen fisch die bislang unbekannten Viren Sedimentproben ist nach wie vor
organischen Kohlenstoff der markieren und visualisieren. Eine eine große Herausforderung um zu
tiefen Biosphäre frei Gegenfärbung der Ribosome von vermeiden, dass man Oberflächen-
Altiarchaeota in der Probe ermög- mikroorganismen mit der Bohrflüs-
Die Lyse von Zellen kann allge- lichte es dann die Lokalisation der sigkeit einbringt oder die Sediment-
mein in Ökosystemen sehr viele Viren im Vergleich zu den Wirten proben untereinander kontaminiert.
Nährstoffe freisetzen und somit zu identifizieren18. Interessanter- Dabei könnte zum Beispiel verstan-
Heterotrophie (das Wachstum auf weise zeigte eine statistische Ana- den werden, welche Auswirkungen
organischem Kohlenstoff) fördern. lyse von mehr als 18.000 Zellen, Entgasungen aus dem Mantel auf
Bisher wurde angenommen, dass dass es sich um einen Virus mit unterschiedliche Ökosysteme in der
Viren in der tiefen Biosphäre vor lytischer Infektion handelt, was die Tiefe haben.
allen Dingen mit lysogener Lebens- bisherigen Annahmen der vorwie- Das genetische Potential der
strategie existieren33. Als lysogen genden lysogenen Lebensweise von tiefen Biosphäre beinhaltet hundert-
bezeichnet man einen Virus, der sich Viren im Untergrund33 ins Wanken tausende von unbekannten Genen,
nach der Infektion in das Genom brachte. die auch sehr großes Potential für
des Wirtes integriert und dort ver- Viren von Altiarchaeota wurden biotechnologische Anwendungen
weilt und mitrepliziert wird. Erst bislang in Proben von drei ver- beinhalten können. Dies wurde
unter bestimmten Umständen tritt schiedenen Kontinenten der Erde unter anderem durch die Entde-
der lysogene Virus in den lytischen entdeckt und besitzen teilweise ckung neuer CRISPR-Systeme klar,
Zyklus ein, repliziert sich damit verwandte Proteine18. Diese weite jedoch benötigt die Analyse immer
unabhängig vom Wirt und lysiert Verbreitung deutet auf einen noch extrem aufwendige biochemi-
die Zelle um viele Nachkommen wesentlichen Einfluss der Viren sche Verfahren zur Proteincharakte-
freizusetzen. Im Gegensatz dazu auf den Kohlenstoffkreislauf der risierung.
steht die rein lytische Lebensweise Ökosysteme in der tiefen Biosphäre Hinsichtlich der Viren müssen
von Viren, die die Fähigkeit zur hin. Altiarchaeota sind in diesen in Zukunft sensitivere Methoden
Integration in das Wirtsgenom nicht Ökosystemen Kohlendioxid-fixie- entwickelt werden, um divergierende
besitzen und ausschließlich den lyti- rende Primärproduzenten und ihre Viren besser zu detektieren. Unser
schen Zyklus durchläuft. Lyse durch Viren stellt der mikrobi- Ansatz mit virus-targeted genome-
Mittels genom-auflösender ellen Gemeinschaft viele reduzierte FISH war dabei erst der Anfang. Es
Metagenomik von Grundwasser- organische Kohlenstoffverbindun- müssen hochauflösende Methoden
proben, in welchen Altiarchaeota gen als Nahrung zur Verfügung. wie Cryoelektronenmikroskopie
sehr abundant sind, identifizierten In der Tat wurde gezeigt, dass die mit Metagenomik im Hochdurch-
wir neue Viren, die keine Verwandt- Kohlendioxidfixierung in Altiarcha- satzverfahren gekoppelt werden, um
schaft zu bisherigen Viren in öffent- eota-dominierten Ökosystemen in die große Diversität von Viren in
lichen Datenbanken hatten18. Wir der Tiefe des Colorado Plateaus eine der tiefen Biosphäre systematisch zu
nutzten kurze DNS-Abschnitte in gesamte mikrobielle Gemeinschaft entschlüsseln. In manchen Ökosys-
CRISPR-Systemen der Altiarcha- von hunderten von Mikroorganis- temen mit zum Beispiel dominie-
eota um festzustellen, ob diese Viren men ernähren kann10. renden Altiarchaeota findet man
in der Vergangenheit diese Organis- entsprechende aktive CRISPR-Sys-
men bereits infizierten. Bei einigen, Wohin geht die Reise in der teme, jedoch sind keine zugehörigen
teils sehr abundanten neuartigen Zukunft? Viren, gegen die diese Immunität
Viren war dies auch der Fall. Um wirken soll, bei bioinformatischen
zu beweisen, dass es sich dabei Für die weitere Forschung an der Analysen entdeckt worden. Das
wirklich um Viren und nicht um tiefen Biosphäre ist der Zugang zu deutet auf eine sehr große Lücke
anderweitig unbekannte DNS-Stü- mehr Probenmaterial aus unter- in Datenbanken hin, die Schritt für
cke aus der Umwelt handelte, schiedlichen geologischen Schichten Schritt geschlossen werden muss. Zu64
6) Bornemann TL, Esser SP, Stach TL, Burg
guter Letzt bleibt die Auswirkung ecosystem depth. However, T, Probst AJ. uBin-a manual refining tool for
von Viren auf die Nahrungsnetze subsurface ecosystems impacted metagenomic bins designed for educational
der tiefen Biosphäre zu erwähnen. by geological degassing showed a purposes. bioRxiv 2020.
7) Bornemann TL, Adam PS, Turzynski V,
Hier ist eine strategische Analyse des high overall replication index of Schreiber U, Figueroa-Gonzalez PA, Rahlff J,
Kohlenstoffflusses der mikrobiellen bacteria. These ecosystems can vary et al. Geological degassing enhances microbial
Gemeinschaft der tiefen Biosphäre greatly in microbial diversity with metabolism in the continental subsurface.
bioRxiv 2020.
nötig. a high incidence of bacteria of the 8) Rinke C, Schwientek P, Sczyrba A, Ivanova
Konsortien von hunderten Candidate Phyla Radiation, which NN, Anderson IJ, Cheng J-F, et al. Insights
von Wissenschaftler*innen wie im have little metabolic capacity and into the phylogeny and coding potential of
Deep Carbon Observatory (DCO, are presumably episymbionts or microbial dark matter. Nature 2013; 499:
431–437.
https://deepcarbon.net/) sind nötig, scavengers. Using a combination of 9) Burstein D, Harrington LB, Strutt SC,
um geologische und biologische metagenomics and metalipidomics, Probst AJ, Anantharaman K, Thomas BC, et
Zusammenhänge in Kontext zu brin- we inferred that these organisms al. New CRISPR? Cas systems from unculti-
vated microbes. Nature 2017; 542: 237.
gen. Das DCO forschte über eine cannot synthesize their own 10) Probst AJ, Elling FJ, Castelle CJ, Zhu Q,
Dekade lang am Kohlenstoffkreis- lipids but instead retrieve these Elvert M, Birarda G, et al. Lipid analysis of
lauf des terrestrischen und marinen essential biomolecules from their CO 2-rich subsurface aquifers suggests an
autotrophy-based deep biosphere with lyso-
Untergrundes und wurde von der surroundings. We also found lipids enriched in CPR bacteria. ISME J 2020;
Sloan Fundation gefördert. Dabei that organisms of the phylum 1–14.
wurden unter anderem auch explizit Altiarchaeota are prevalent in these 11) Probst AJ, Ladd B, Jarett JK, Geller-McG-
Finanzmittel in Nachwuchsgruppen carbon-dioxide contaminated rath DE, Sieber CMK, Emerson JB, et al.
Differential depth distribution of microbial
investiert – Teile der hier zusammen- groundwaters and that their function and putative symbionts through se-
gefassten Forschung wurden darüber lifestyle is chemolithoautotrophic. diment-hosted aquifers in the deep terrestrial
finanziert. Interactions of Altiarchaeota subsurface. Nat Microbiol 2018; 3: 328–336.
12) Probst AJ, Weinmaier T, Raymann K,
Sicher ist, dass wir gerade erst am with other biological entities are Perras A, Emerson JB, Rattei T, et al. Biology
Anfang sind, die tiefe Biosphäre zu complex and span episymbionts of a widespread uncultivated archaeon that
verstehen und wir vor noch aufre- of the phylum Huberarchaeota as contributes to carbon fixation in the subsur-
face. Nat Commun 2014; 5: 5497.
genden Dekaden der Forschung mit well as hitherto unknown viruses, 13) Adam PS, Borrel G, Brochier-Armanet C,
vielen Überraschungen stehen. the lifestyle of which is likely Gribaldo S. The growing tree of Archaea: new
lysogenic. Overall, I conclude that perspectives on their diversity, evolution and
the deep biosphere has great genetic ecology. ISME J 2017; 11: 2407–2425.
14) Bird JT, Baker BJ, Probst AJ, Podar M,
potential that remains to be explored Lloyd KG. Culture independent genomic
and humanity is just beginning to comparisons reveal environmental adaptations
Summary understand the complexity of life for Altiarchaeales. Front Microbiol 2016; 7:
1221.
below Earth’s critical zone. 15) Henneberger R, Moissl C, Amann T,
Earth’s deep terrestrial biosphere Rudolph C, Huber R. New insights into the
is home to the majority of lifestyle of the cold-loving SM1 euryarchaeon:
natural growth as a monospecies biofilm in
prokaryotes — archaea and bacteria
the subsurface. Appl Environ Microbiol 2006;
— on our planet, yet we have little 72: 192–199.
knowledge on how these microbes Anmerkungen/Literatur 16) Moissl C, Rachel R, Briegel A, Engelhardt
interact with each other, with H, Huber R. The unique structure of archaeal
1) Bar-On YM, Phillips R, Milo R. The bio- ‘hami’, highly complex cell appendages with
their ecosystem and with potential mass distribution on Earth. Proc Natl Acad nano-grappling hooks. Mol Microbiol 2005;
viruses. In our recently published Sci 2018; 115: 6506–6511. 56: 361–70.
research, which I summarize 2) Yarza P, Yilmaz P, Pruesse E, Glöckner 17) Rudolph C, Wanner G, Huber R. Natural
FO, Ludwig W, Schleifer K-H, et al. Uniting communities of novel archaea and bacteria
in this review, we investigated the classification of cultured and uncultured growing in cold sulfurous springs with a
the interactions of microbes in bacteria and archaea using 16S rRNA gene string-of-pearls-like morphology. Appl En-
deep subsurface ecosystems of sequences. Nat Rev Microbiol 2014; 12: viron Microbiol 2001; 67: 2336–2344.
635–645. 18) Rahlff J, Turzynski V, Esser SP, Monsees I,
suboxic and anoxic groundwater
3) Flemming H-C, Wuertz S. Bacteria and Bornemann TL, Figueroa-Gonzalez PA, et al.
aquifers using genome-resolved archaea on Earth and their abundance in bio- Genome-informed microscopy reveals infec-
metagenomics. During our research, films. Nat Rev Microbiol 2019; 17: 247. tions of uncultivated carbon-fixing archaea by
we developed a new platform called 4) Borgonie G, Garc¡a-Moyano A, Litthauer lytic viruses in Earth?s crust. bioRxiv 2020.
D, Bert W, Bester A, van Heerden E, et al. 19) Hernsdorf AW, Amano Y, Miyakawa, K,
uBin that enables researchers to Nematoda from the terrestrial deep subsurface Ise, Kotaro, Suzuki Y, Anantharaman K, et al.
curate reconstructed genomes of of South Africa. Nature 2011; 474: 79–82. Potential for microbial H2 and metal trans-
bacteria and archaea. We used a 5) Anantharaman K, Brown CT, Hug LA, formations associated with novel bacteria and
Sharon I, Castelle CJ, Probst AJ, et al. Thous- archaea in deep terrestrial subsurface sedi-
large database of curated bacterial ments. ISME J; in press.
ands of microbial genomes shed light on
genomes to deduce that microbial interconnected biogeochemical processes in an 20) Schwank K, Bornemann TL, Dombrow-
replication linearly declines with aquifer system. Nat Commun 2016; 7: 13219. ski N, Spang A, Banfield JF, Probst AJ. AnUNIKATE 56/2021 65 archaeal symbiont-host association from the Der Autor deep terrestrial subsurface. ISME J 2019; 13: 2135–2139. Alexander Probst studierte Biologie an der 21) Castelle CJ, Wrighton KC, Thomas BC, Universität in Regensburg und promovierte Hug LA, Brown CT, Wilkins MJ, et al. Geno- 2014 dort am Archaeenzentrum bei Christine mic expansion of domain archaea highlights Moissl-Eichinger und Reinhard Wirth, seinem roles for organisms from new phyla in anaero- Doktorvater. Vor, während und nach der bic carbon cycling. Curr Biol CB 2015; 25: Promotion arbeitete er als Bioinformatiker 690–701. in einem Unternehmen, wo er an mehr als 22) Castelle CJ, Brown CT, Anantharaman K, 100 verschiedenen Mikrobiomstudien mit Probst AJ, Huang RH, Banfield JF. Biosyn- Schwerpunkt auf das menschliche Mikrobiom thetic capacity, metabolic variety and unusual mitwirkte. Nach einem Postdoc-Aufenthalt biology in the CPR and DPANN radiations. von 2014 bis 2017 im Labor von Jill Banfield Nat Rev Microbiol 2018; 16: 629–645. an der UC Berkeley, wo er seine Kenntnisse 23) Castelle CJ, Banfield JF. Major new in der tiefen unterirdischen Mikrobiologie microbial groups expand diversity and alter vertiefte, wurde Alexander Probst 2017 als our understanding of the tree of life. Cell Interimsprofessor für aquatische mikrobielle 2018; 172: 1181–1197. Ökologie an die Universität Duisburg-Essen 24) Youssef NH, Rinke C, Stepanauskas R, berufen. Seit Mai 2018 ist er, finanziert durch Farag I, Woyke T, Elshahed MS. Insights into ein NRW-Rückkehrstipendium, außerordent- the metabolism, lifestyle and putative evolu- licher Professor für „Aquatische Mikrobielle tionary history of the novel archaeal phylum Ökologie“ und leitet ein Team von Wissen- ?Diapherotrites?. ISME J 2015; 9: 447–460. schaftler*innen, das sich mit Kohlenstoffrecy- 25) Probst AJ, Banfield JF. Homologous cling im tiefen Untergrund befasst. recombination and transposon propagation shape the population structure of an orga- nism from the deep subsurface with minimal metabolism. Genome Biol Evol 2018; 10: 1115–1119. 26) Luef B, Frischkorn KR, Wrighton KC, Holman H-YN, Birarda G, Thomas BC, et al. Diverse uncultivated ultra-small bacterial cells in groundwater. Nat Commun 2015; 6: 6372. 27) Starr EP, Shi S, Blazewicz SJ, Probst AJ, Herman DJ, Firestone MK, et al. Stable isotope informed genome-resolved metage- nomics reveals that Saccharibacteria utilize microbially-processed plant-derived carbon. Microbiome 2018; 6: 122. 28) He X, McLean JS, Edlund A, Yooseph S, Hall AP, Liu S-Y, et al. Cultivation of a hu- man-associated TM7 phylotype reveals a re- duced genome and epibiotic parasitic lif Front Microbiol 2011; 2: 219. estyle. Proc Natl Acad Sci 2015; 112: 244–249. 29) Schulze-Makuch D, Wagner D, Kounaves SP, Mangelsdorf K, Devine KG, de Vera J-P, et al. Transitory microbial habitat in the hypera- rid Atacama Desert. Proc Natl Acad Sci 2018; 115: 2670–2675. 30) Proctor CR, Besmer MD, Langenegger T, Beck K, Walser J-C, Ackermann M, et al. Phylogenetic clustering of small low nucleic acid-content bacteria across diverse freshwater ecosystems. ISME J 2018; 12: 1344. 31) Bor B, McLean JS, Foster KR, Cen L, To TT, Serrato-Guillen A, et al. Rapid evolution of decreased host susceptibility drives a stable relationship between ultrasmall parasite TM7x and its bacterial host. Proc Natl Acad Sci 2018; 115: 12277–12282. 32) Takano Y, Chikaraishi Y, Ogawa NO, Nomaki H, Morono Y, Inagaki F, et al. Sedimentary membrane lipids recycled by deep-sea benthic archaea. Nat Geosci 2010; 3: 858–861. 33) Anderson RE, Brazelton WJ, Baross JA. Is the genetic landscape of the deep subsurface biosphere affected by viruses? Front Micro- biol 2011; 2: 219.
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