Harald Huber

Dr. Harald Huber
Universität Regensburg
Lehrstuhl für Mikrobiologie
Universitätsstraße 31
D - 93053 Regensburg

Harald.Huber@ur
.de

 

Arbeitsgebiete, Projekte:

1. Untersuchung der rein archaeellen Lebensgemeinschaft Ignicoccus hospitalis und Nanoarchaeum equitans:
Aus einem unterseeischen Vulkangebiet nördlich von Island (Kolbeinsey-Rücken) wurde von uns eine einzigartige, rein archaeelle Lebensgemeinschaft isoliert. Diese besteht aus den hyperthermophilen Archaeen Ignicoccus hospitalis und Nanoarchaeum equitans, welche in einer besonderen Beziehung zueinander stehen, die nach den momentan vorliegenden Ergebnissen keinem der klassischen Beziehungen Symbiose, Kommensalismus oder Parasitismus zugeordnet werden kann. N. equitans ist dabei obligat von seinem Wirt I. hospitalis abhängig.
Unsere Untersuchungen zeigten, dass beide Organismen nicht nur wegen Ihrer einzigartigen Interaktionen von Interesse sind .

Mikroskopische Bilder der Co-Kultur N. equitans und I. hospitalis

Abbildung 1:

Elektronenmikroskopische Aufnahmen und Fluoreszenzbild der Nanoarchaeum equitans - Ignicoccus hospitalis Co-Kultur

TEM a) Gefrierätzung einer I. hospitalis Zelle mit vier N. equitans Zellen.
TEM b) Ultradünnschnitt zweier Nanoarchaeum Zellen, angelagert an die äußere Membran einer Ignicoccus Zelle.
TEM c) Ignicoccus Zelle mit mehreren Nanoarchaeum Zellen, Platinbedampfung.

CLSM) Aufnahme mit Hilfe das confokalen Laserscanning-Mikroskops: Co-Kultur von Nanoarchaeum equitans (kleine Kokken, rot) und Ignicoccus hospitalis (große Kokken, grün) nach sequenzspezifischer (ss rRNA) Fluoreszenzfärbung.

Maßstab für alle Abbildungen: 1.0 µm

1.1. Nanoarchaeum equitans:
Nanoarchaeum equitans („der reitende Urzwerg“), wächst nur auf der Oberfläche des Archaeums Ignicoccus hospitalis („die gastliche Feuerkugel“) (Abb. 1). N. equitans-Zellen sind die kleinsten bisher bekannten Mikroorganismen, winzige Kugeln mit einem Durchmesser von lediglich 400 Nanometer (= 0,4 tausendstel Millimeter). Sie sind damit im Volumen über 100 x kleiner als eine E. coli Bakterienzelle und bereits im Größenbereich von großen Viren, z.B. dem Pockenvirus. Die Analyse des Genoms von N. equitans zeigte, dass es sich hier mit nur rund 490.000 Basenpaaren um das kleinste bisher bekannte archaeelle Genom und um eines der kleinsten Genome aller lebenden Zellen handelt. Dabei konnten so gut wie keine Stoffwechsel- oder Biosynthesegene nachgewiesen werden, was die Abhängigkeit von I. hospitalis unterstreicht. Der Lebensraum von N. equitans - Temperaturen um 100 °C, Sauerstofffreiheit, Gegenwart von Schwefel und vulkanischen Gasen – decken sich mit den Gegebenheiten, wie sie auf der Urerde vor etwa 3,8 Milliarden Jahren geherrscht haben. Somit könnte es sich möglicherweise bei N. equitans um eine noch recht primitive Lebensform, vielleicht sogar eine Art lebendes Fossil aus den Anfängen des Lebens auf unserer Erde, handeln. Auf Grund der einzigartigen Ribosomenstruktur (stark abweichende 16S-rRNA Sequenz) repräsentiert N. equitans ein eigenes Reich (Phylum) innerhalb der Archaeen, die Nanoarchaeota. Die großen 16S-rRNA-Sequenzunterschiede führten dazu, dass sich die Nanoarchaeota lange dem Nachweis aus Umweltproben mit Hilfe von PCR-Techniken entzogen. Mittlerweile konnten wir Gensequenzen von weiteren Vertretern der Nanoarchaeota mit Hilfe molekularer Methoden in mehreren Umweltproben aus kontinentalen und marinen Vulkangebieten nachweisen.
Auf Grund unserer Befunde ist es möglich, dieses interessante neue Reich von Archaeen genauer zu erforschen. Umfangreiche Wachstumsstudien und Optimierungen (zum Teil auch durchgeführt in unseren 300 l Fermentern des Biotechnikums) ermöglichen es uns (wenn auch in bescheidenem Umfang) Zellmengen für biochemische und molekulare Untersuchungen zu gewinnen.

 

1.2. Ignicoccus hospitalis:
Wie die beiden anderen Mitglieder der Gattung Ignicoccus (I. pacificus und I. islandicus) ist I. hospitalis ein hyperthermophiler (hitzeliebender) Mikroorganismus, der optimal bei 90 °C wächst. Alle Ignicoccus-Arten sind strikt anaerob, d.h. sie können nicht in Gegenwart von Sauerstoff wachsen. Sie stellen sämtliche Zellbestandteile selbst her, benötigen also keine organischen Nährstoffe im Medium. Dazu fixieren sie Kohlendioxid und gewinnen ihre Energie aus der Reduktion von elementarem Schwefel mit molekularem Wasserstoff. Vertreter der Gattung Ignicoccus sind die einzigen Archaeen, die als Zellwand zwei Membranen besitzen (Abb. 2), die sich in Lipid- und Proteinzusammensetzung deutlich voneinander unterscheiden. Ultradünnschnitte zeigen im Elektronenmikroskop ein dicht gepacktes Cytoplasma, umgeben von einer typisch archaeellen Membran („innere Membran“, IM). Eine zweite Membran, „äußere Zellmembran (OMC)" umschließt einen großen Intermembranraum (IMC) mit einer Weite bis zu 1 µm (= 2 bis 3-faches Volumen des Cytoplasmas). Trotz der großen Ähnlichkeiten der einzelnen Ignicoccus-Arten zueinander, kann nur I. hospitalis als Wirt für N. equitans dienen.

 

Ignicoccus hospitalis, UltradŁnnschnitt

Abbildung 2:

Ignicoccus hospitalis, Ultradünnschnitt

C = Cytoplasma
IM = innere Membran

IMC = Intermembranraum
OCM = äußere Zellmembran
V = Vesikel


Maßstab: 0,5 µm


1.3. Stoffwechselwege im Organismensystem:
Die Genomanalyse von Nanoarchaeum equitans lässt den Schluss zu, dass in der Organismen-Gemeinschaft alle biosynthetischen Prozesse zum Aufbau der Zellbestandteile von Ignicoccus hospitalis durchgeführt werden. Ein Schlüssel zum Verständnis des Stoffwechsels von N. equitans liegt also im Verständnis des Stoffwechsels von I. hospitalis.

Wir konnten zeigen, dass I. hospitalis über einen bislang unbekannten CO₂-Fixierungsweg verfügt (Abb. 3a und 3b). In diesem wird im ersten Schritt Acetyl-CoA zu Pyruvat carboxyliert, welches in Phosphoenolpyruvat (PEP) umgewandelt wird. PEP wird in einem zweiten CO₂-Fixierungsschritt zu Oxalacetat carboxyliert. Oxalacetat ist Teil eines unvollständigen Citratzykluses, dem eine 2-Oxoglutarat:Ferredoxin-Oxidoreduktase fehlt. Die Regeneration des primären CO₂-Akzeptors Acetyl-CoA (Fig. 3b) geschieht über Succinyl-CoA, das zu 4-Hydroxybutyrat reduziert und anschließend zum CoA Thioester aktiviert wird. 4-Hydroxybutyryl-CoA wird unter Bildung von Crotonyl-CoA dehydratisiert und durch Betaoxidation entstehen daraus zwei Moleküle Acetyl-CoA. Somit bildet ein Durchlauf des Zykluses ein Molekül Acetyl-CoA. Der neue (insgesamt damit 6. bekannte) CO₂-Fixierungsweg wird als Dicarboxylat/4-hydroxybutyrat Zyklus bezeichnet.

Eine Analyse weiterer zentraler Biosynthesewege in I. hospitalis zeigte zudem das Vorhandensein unkonventioneller Biosynthesewege, wie den 2-Aminoadipat-Weg zur Synthese von Lysin, den Citramalat-Weg zur Synthese von Isoleucin und den Ribulose-Monophosphat-Weg zur Synthese von Pentosephosphaten.

Diese umfangreichen Analysen wurden in Kooperation mit Prof. G. Fuchs vom Lehrstuhl für Mikrobiologie der Universität Freiburg, sowie mit PD Dr. W. Eisenreich vom Lehrstuhl für Biochemie der Technischen Universität München durchgeführt
.

Neuer CO2-Fixierungsweg bei Ignicoccus            Abbildung 3a

           Abbildung 3b

Über den Stoffwechsel von N. equitans ist wenig bekannt. Dieser Organismus verfügt jedoch über das kleinste bisher bekannte Genom, dem fast alle bekannten Gene für Biosynthese- oder Abbauwege fehlen. In Zusammenarbeit mit Prof. R. Summons, wurden am Institut für Geobiologie des Massachusetts Instituts of Technology in Boston, vergleichende Analysen der Membranlipidzusammensetzung von N. equitans und I. hospitalis durchgeführt. Sie ließen den Schluss zu, dass N. equitans seine Lipide direkt von seinem Wirt I. hospitalis bezieht. 13C-Markierungsexperimente an Aminosäuren gaben deutliche Hinweise darauf, dass N. equitans auch seine Aminosäuren direkt von I. hospitalis übernimmt. Auf welche Weise der Austausch dieser Zellkomponenten stattfindet, ist bislang ungeklärt.

1.4. Energiekonservierung im Organismensystem:
In Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Volker Müller von der Goethe Universität Frankfurt / Main wurde zunächst die ATPase / Synthase von I. hospitalis untersucht, da diese nach der Genomannotation alle Komponenten einer typischen archaeellen A1AO -ATPase besitzen sollte. Immunoblots an Ultradünnschnitten und Immunofluoreszenz-markierungen zeigten dabei völlig überraschend, dass bei diesem Mikroorganismus die äußerste Membran der Ort der Energieproduktion ist (Abb. 4 A-C). In ihr sind sowohl die ATP Synthase als auch der H2:Schwefel-Oxidoreduktase Komplex lokalisiert. Damit wurde nachgewiesen, dass sich bei I. hospitalis die für die Energiegewinnung maßgeblichen Enzyme und Enzymkomplexe nicht, wie bei allen anderen Organismen üblich, in der inneren, also der normalen „Cytoplasma-membran“ befinden. Gleichzeitig zeigten die Experimente eindeutig, dass diese Membran jedoch den Bereich umschließt, der sowohl die DNA und auch die Ribosomen umschließt und somit das eigentlich Cytoplasma bei I. hospitalis darstellt.

Erstmals ist somit für einen Prokaryoten eine räumliche Trennung von Energiege­winnung und anderen zellulären Prozessen – wie z.B. Biosynthese von Proteinen und Nukleinsäuren – nachgewiesen worden. Diese Ergebnisse werfen zahlreiche weiterführende Fragen auf, wie beispielsweise die Form der Kommunikation zwischen den beiden Zellkompartimenten, sowie Überlegungen zur allgemeinen Definition einer cytoplasmatischen Membran (innere oder äußere Membran in I. hospitalis?). Daher wird die früher von uns als „Cytoplasmamembran“ bezeichnete Membran jetzt als „Innere Membran“, die äußere als „Zellmembran“ benannt. Das frühere „Periplasma“ haben wir jetzt „Intermembranraum“ genannt (siehe Abb. 2). Möglicherweise stellt Ignicoccus sogar einen Vorläufer auf dem Weg zu den höheren Organismen (Eukaryonten) dar, bei denen zahlreiche membranumhüllte Organelle die unterschiedlichen Aufgaben (Energiegewinnung, Informationsweitergabe) in den Zellen übernommen haben.

Mittlerweile konnte die ungewöhnliche Anordnung der beschriebenen Membrankomplexe, wie sie hier für I. hospitalis dargestellt ist, auch bei den anderen Ignicoccen nachgewiesen werden, sodass sie ein allgemeines Charakteristikum der Vertreter der Gattung darzustellen scheint. Dies betrifft auch den ACS-Komplex (Acetyl-CoA Synthetase) in Ignicoccus, wie von uns gerade erst beschrieben wurde. Eine schematische Darstellung des daraus resultierenden Aufbaus der Zellhülle in Ignicoccus ist in Abb. 5 dargestellt.

 

EM-Aufnahmen Ignicoccus hospitalis

 

Chematische Darstellung des Aufbaus und der Lokalisation von Membranproteinkomplexen in I. hospitalis

Abbildung 4 (links):

A: Elektronenmikroskopische Darstellung einer Ignicoccus hospitalis Zelle. Die schwarzen Markierungen zeigen die Lage der ATP-Synthase-Komplexe in der äußeren (= Zell-) Membran (OCM) (erreicht durch spezifische Antikörper-markierung). Ultradünnschnitt (C = Cytoplasma; IM = innere Membran, OCM = äußere Zellmembran: IMC = Intermembranraum);
Maßstab: 1 µm.
B: I. hospitalis Zelle: Lichtmikroskopische Darstellung überlagert mit DNA-spezifischer („DAPI") Färbung. 
Maßstab: 2 µm.

C: Identische I. hospitalis Zelle wie in „B“. Fluoreszenzmikroskopaufnahme mit Überlagerung von DNA spezifischer Färbung (blau) und Antikörpermarkierung des ATP-Synthase-Komplexes (grün). Klar zur erkennen ist die räumliche Trennung der beiden Markierungen. 
Maßstab: 2 µm
.

Abbildung (rechts) 5:
Schematische Darstellung des Aufbaus und der Lokalisation von Membranproteinkomplexen in I. hospitalis (Hypothese!)

2.) Isolierung und Charakterisierung neuartiger hyperthermophiler Archaeen aus Hochtemperaturökosystemen:
Hyperthermophile Vertreter der Archaeen (d.h. Organismen mit optimalen Wachstumstemperaturen über 80°C) konnten bislang aus zahlreichen kontinentalen Hochtemperaturökosystemen unserer Erde isoliert werden, wie z. B. aus Island, Italien oder dem Yellowstone National Park, sowie aus untermeerischen Hydrothermalsystemen wie beispielsweise dem Mittelatlantischen Rücken oder dem Südpazifischen Rücken. Diese Mikroorganismen repräsentieren tiefabzweigende Linien im Stammbaum des Lebens und sind daher auch evolutionsgeschichtlich von großem Interesse. Schwerpunkte der Forschung sind die Anreicherung dieser Organismen, Entwicklung neuer Kultivierungstechniken, die physiologisch- biochemische und molekulare Charakterisierung der isolierten Stämme sowie deren phylogenetische Einordnung. Im institutseigenen Biotechnikum werden diese Organismen auch in größerem Maßstab gezüchtet (bis 300 l), wobei von uns auch Optimierungen der Anzuchtbedingungen und der Kulturmedien (z.B. auch durch ICP-Analysen) durchgeführt werden.

 

3.) Überleben von hitzeliebenden Archaeen im Weltraum:
Hitzeliebende (hyperthermophile) Archaeen leben unter extremen Bedingungen, die häufig denen der Urerde (anaerob, heiß, Gegenwart von reduzierenden Gasen wie H2S, H2, NH3) ähneln. Bei Forschungen zu Entwicklung des Lebens sind sie damit als Modellorganismen von großem Interesse. In einer Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR, Köln, Abteilung Strahlenbiologie) wird getestet, ob Archaeen unter simulierten Weltraumbedingungen überleben könnten. Damit soll überprüft werden, ob Organismen durch Meteoriten im Weltraum verbreitet werden können und auf Planeten oder Monden, die geeignete Wachstumsbedingungen zeigen (z.B. der Mars), wachsen könnten. Hyperthermophile Archaeen erscheinen für diese Forschungen besonders geeignet, da sie durch ihr Leben unter extremen Umweltbedingungen effiziente Reparaturmechanismen und andere zelluläre Anpassungen wie eine erhöhte Stabilität der Zellbausteine besitzen. So könnte es möglich sein, Zellschädigungen durch die große Druck- und Hitzeeinwirkung bei Meteoriteneinschlag sowie durch Vakuum und ionisierende Strahlen im Weltraum zu kompensieren. In Voruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass neun von 16 untersuchten Archaeenarten eine erhöhte Resistenz gegenüber Trockenheit und/oder UV-Strahlung aufweisen. Interessanterweise treten große Unterschiede auch bei eng verwandten Arten auf. Im Folgenden sollen diese Daten erweitert und verifiziert werden, und die den Resistenzen zugrunde liegenden molekularen Mechanismen aufgedeckt werden. Um dieses Ziel zu erreichen werden sowohl mikrobiologische Verfahren als auch biochemische Mittel verwendet.

 

Link zur DLR          Link zu Spacelife          Link zu Helmholtz

 

 

4.) Zusammenarbeit mit der Firma Schmack Biogas GmbH (Schwandorf, Germany):
Im Rahmen eines Forschungs- und Entwicklungsauftrages ist es das Ziel, grundlegende Erkenntnisse über die Beteiligung und das Zusammenwirken der bei der Biogasherstellung involvierten Mikroorganismen zu erhalten. Durch die erhaltenen Ergebnisse soll der Prozeß effizienter und damit kostengünstiger gestaltet werden können.
     <Link zur Homepage von Schmack Biogas>

Link zu Schmack Biogas

 

 

Mitarbeiter:

'as Huaber-Labor ;-)

Dr. Harald Huber

(Tel. +49-941-943-3185)
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WN_E3._2.315

 
 
Dr. Lydia Kreuter
Gabi Leichtl

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Laura Nißl

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WN_E3._2.317
 


März 2015

   

 

Forschungsförderung:

1.) Gefördert durch DFG-Projekt HU703/2-1
2.) Spacelife Projekt
3.) Industrieprojekte
4.) Abgeschlossene Förderprojekte: DFG-Projekte HU703/1-1 bis HU703/1-3; TH422/8-1

 

Lehrveranstaltungen:

• Praktikum Mikrobiologie  (Praxismodul B.Sc.)
• Projektpraktikum Organismische Mikrobiologie I (Projektmodul, B.Sc.)
• Projektpraktikum Organismische Mikrobiologie II (Projektmodul, B.Sc.)
• Forschungspraktikum Mikrobiologie (Projektmodul III, B.Sc.)
• Mikrobiologisches Laborpraktikum für Masterstudenten (Schwerpunktmodul)
• Vorlesung und Praktikum: Einführung in die Biochemie, Mikrobiologie und Genetik für Realschule, Hauptschule, Grundschule

 

ausgewählte Publikationen

 

Harald Huber Anni Eben Gabi Leichtl Steffi Daxer Lydia Kreuter Laura Nißl Pia Wiegmann