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 .

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

1.2. 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, 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 eine äussere Membran besitzen, die sich in Lipid- und Proteinzusammensetzung deutlich von der äusseren Membran Gram-negativer Bakterien unterscheidet. Trotz der großen Ähnlichkeiten der einzelnen Ignicoccus-Arten zueinander kann jedoch nur I. hospitalis als Wirt für N. equitans dienen.

Abbildung 2:

Ignicoccus hospitalis, Ultradünnschnitt

C = Cytoplasma

CM = Cytoplasmamembran

P = Periplasma

ÄM = äussere Membran

Maßstab: 0,5 µm

1.3. Stoffwechselwege im Organismensystem:

Die Genomanalyse von N. equitans lässt den Schluss zu, dass in der Organismen-Gemeinschaft alle biosynthetischen Prozesse zum Aufbau der Zellbestandteile von I. hospitalis durchgeführt werden. Ein Schlüssel zum Verständnis des Stoffwechsels von N. equitans liegt also im Verständnis des Stoffwechsels von I. hospitalis. Diese umfangreichen Analysen wurden in Kooperation mit Prof. G. Fuchs vom Lehrstuhl für Mikrobiologie der Universität Freiburg sowie mit Dr. W. Eisenreich vom Lehrstuhl für organische Chemie der Technischen Universität München durchgeführt. 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.

           Abbildung 3a

           Abbildung 3b

Über den Stoffwechsel von N. equitans ist wenig bekannt. Dieser Organismus verfügt jedoch über das kleinste bisher bekannte archaeelle Genom (~ 490 kbp), dem fast alle bekannten Gene für Biosynthese- oder Abbauwege fehlen. Vergleichende Analysen der Zusammensetzung der Membranlipide von N. equitans und I. hospitalis ließen den Schluss zu, dass N. equitans seine Lipide direkt von seinem Wirt I. hospitalis bezieht. Des weiteren zeigten 13C-Markierungsexperimente an Aminosäuren, dass N. equitans auch seine Aminosäuren (oder vielleicht auch komplette Proteine) direkt von I. hospitalis übernimmt. Auf welche Weise der Austausch dieser Zellkomponenten stattfindet, ist bislang allerdings noch 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 Immunofluoreszenzmarkierungen zeigten dabei völlig überraschend, dass bei diesem Mikroorganismus die äussere 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 Cytoplasmamembran 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 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 Zellbestandteilen sowie Überlegungen zur allgemeinen Definition einer cytoplasmatischen Membran oder des Periplasmas (für I. hospitalis haben wir daher diesen Bereich jetzt „Intermembranraum“ genannt). Möglicherweise stellt Ignicoccus sogar einen Vorläufer auf dem Weg zu den höheren Organismen (Eukaryonten) dar, bei denen zahlreiche membranumhüllte Organellen die unterschiedlichen Aufgaben (Energiegewinnung, Informationsweitergabe) in den Zellen übernommen haben.

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.

(März 2011)

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

• Grundkurs Mikrobiologie
• Praktikum Organismische Mikrobiologie I
• Forschungspraktikum Organismische Mikrobiologie II
• Forschungspraktikum Mikrobiologie
• Mikrobiologisches Schwerpunktpraktikum
• Vorlesung: Einführung in die Biochemie, Mikrobiologie und Genetik für Realschule, Hauptschule, Grundschule