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17.04.2012 Gif­ti­ger Spei­se­plan

Mee­res­wurm er­nährt sich mit Hil­fe sym­bi­on­ti­scher Bak­te­ri­en von Koh­len­mon­oxid und Schwe­fel­was­ser­stoff
 
Giftiger Speiseplan

Mee­res­wurm er­nährt sich mit Hil­fe sym­bi­on­ti­scher Bak­te­ri­en von Koh­len­mon­oxid und Schwe­fel­was­ser­stoff

Wis­sen­schaft­ler vom Max-Planck-In­sti­tut für ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie in Bre­men und der Uni­ver­si­tät Greifs­wald ha­ben zu­sam­men mit ih­ren Kol­le­gen aus Frei­burg, Ita­li­en und den USA in ei­ner in der Fach­zeit­schrift Pro­cee­dings of the Na­tio­nal Aca­de­my of Sci­ence ver­öf­fent­lich­ten Stu­die zei­gen kön­nen, dass ein klei­ner Mee­res­wurm, des­sen na­tür­li­ches Nah­rungs­an­ge­bot im san­di­gen Se­di­ment vor der Küs­te El­bas doch äu­ßerst be­schei­den ist, töd­li­ches Gift auf sei­nem Spei­se­plan hat: der Wurm ver­zehrt Koh­len­mon­oxid und Schwe­fel­was­ser­stoff.

Der Wurm, mit dem Na­men Olavius algarvensis, kann auf die­sen Gif­ten ge­dei­hen dank Mil­lio­nen sym­bi­on­ti­scher Bak­te­ri­en, die un­ter sei­ner Haut le­ben. Die­se nut­zen die En­er­gie aus Koh­len­mon­oxid und Schwe­fel­was­ser­stoff, um Nah­rung für den Wurm zu pro­du­zie­ren. Da­bei ar­bei­ten die Bak­te­ri­en ähn­lich wie Pflan­zen. Doch wäh­rend Pflan­zen die En­er­gie des Son­nen­lichts nut­zen, um aus Koh­len­di­oxid und Was­ser Koh­len­hy­dra­te her­zu­stel­len, ver­wen­den die Bak­te­ri­en die En­er­gie aus che­mi­schen Ver­bin­dun­gen. „Sie sind da­bei so ef­fek­tiv, dass der Wurm im Lau­fe der Evo­lu­ti­on sei­nen kom­plet­ten Ver­dau­ungs­ap­pa­rat in­klu­si­ve Mund und Darm auf­ge­ge­ben hat und sich nur über die Sym­bi­on­ten er­nährt“, er­klärt Ni­co­le Du­bi­lier, Lei­te­rin der Ar­beits­grup­pe Sym­bio­se am Bre­mer Max-Planck-In­sti­tut.

Doch Koh­len­mon­oxid und Schwe­fel­was­ser­stoff sind bei wei­tem nicht die ein­zi­gen En­er­gie­quel­len. Man­che der sym­bi­on­ti­schen Bak­te­ri­en im Wurm kön­nen Was­ser­stoff und or­ga­ni­sche Nähr­stof­fe aus der Um­ge­bung auf­neh­men, selbst wenn die­se nur in ver­schwin­dend ge­rin­gen Men­gen vor­han­den sind. Und Olavius algarvensis hat noch wei­te­re Tricks auf La­ger, um in sei­ner nah­rungs­ar­men Um­welt zu über­le­ben: Im Ge­gen­satz zu den meis­ten Tie­ren, die man­che Stoff­wech­sel­pro­duk­te nicht wei­ter­ver­wer­ten kön­nen und sie des­halb aus­schei­den müs­sen, kann der Wurm vie­le sei­ner „Ab­fall­pro­duk­te“ wei­ter nut­zen. Wie die For­scher zei­gen konn­ten, sind es wie­der­um die sym­bi­on­ti­schen Mi­kro­or­ga­nis­men, die die­ses er­mög­li­chen. Sie sind re­gel­rech­te Meis­ter in der Wie­der­ver­wer­tung von Pro­duk­ten, die für sie noch viel En­er­gie ent­hal­ten, für den Wurm sel­ber aber nicht mehr ver­wert­bar sind. „Der Wurm kann des­halb nicht nur auf sei­nen Ver­dau­ungs­ap­pa­rat, son­dern auch auf sei­ne Aus­schei­dungs­or­ga­ne ver­zich­ten“, be­tont Du­bi­lier, „was bis­her von kei­nem ein­zi­gen an­de­ren Mee­res­tier be­kannt ist.“

Für ihre Ana­ly­sen ver­wen­de­ten die For­scher eine Kom­bi­na­ti­on von mo­derns­ten Tech­ni­ken wie Me­ta­pro­teo­mik und Me­ta­bo­lo­mik, die es er­mög­li­chen, ei­nen gro­ßen Teil der Pro­te­ine und der Stoff­wech­sel­pro­duk­te in ei­nem Or­ga­nis­mus zu ana­ly­sie­ren. Die Me­ta­pro­teom-Ana­ly­se war eine be­son­de­re Her­aus­for­de­rung, da die For­scher da­bei die Zel­len der Sym­bi­on­ten und des Wirts tren­nen muss­ten. Tho­mas Schwe­der vom In­sti­tut für Phar­ma­zie an der Uni­ver­si­tät Greifs­wald er­klärt: „Mit der Me­ta­pro­teo­mik konn­ten wir tau­sen­de Pro­te­ine iden­ti­fi­zie­ren und den ein­zel­nen Sym­bio­se-Part­nern zu­ord­nen. Das er­mög­lich­te uns ei­nen di­rek­ten Ein­blick in den Stoff­wech­sel der bak­te­ri­el­len Sym­bi­on­ten und de­ren In­ter­ak­tio­nen mit dem Wirt.“
Der Wurm Olavius algarvensis un­ter dem Licht­mi­kro­skop. Dank sei­ner Sym­bi­on­ten kann er in den nah­rungs­ar­men san­di­gen Se­di­men­ten ge­dei­hen. (Quel­le des Pho­tos: C. Lott/​HY­DRA/ Max-Planck-In­sti­tut für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie, Bre­men)
Im fla­chen Was­ser vor der Küs­te El­bas konn­ten die Tau­cher den Le­bens­raum von Olavius algarvensis gut stu­die­ren. (Quel­le des Pho­tos: C. Lott/​HY­DRA/ Max-Planck-In­sti­tut für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie, Bre­men)
Die For­scher wa­ren höchst er­staunt, als sie bei ih­ren Ana­ly­sen fest­stell­ten, dass der Wurm in gro­ßen Men­gen Pro­te­ine für die Ver­wer­tung von Koh­len­mon­oxid als En­er­gie­quel­le be­sitzt. „Wir konn­ten uns kaum vor­stel­len, dass Koh­len­mon­oxid im san­di­gen Se­di­ment vor der Küs­te El­bas vor­kommt“, sagt Ma­nu­el Klei­ner, Dok­to­rand in der Max-Planck-Ar­beits­grup­pe, „also sind wir hin­ge­fah­ren und muss­ten zu un­se­rer Über­ra­schung fest­stel­len, dass dort tat­säch­lich un­ge­wöhn­lich hohe Kon­zen­tra­tio­nen an Koh­len­mon­oxid in den Mee­res­se­di­men­ten auf­tre­ten.“

Ni­co­le Du­bi­lier be­schäf­tigt sich seit über 15 Jah­ren mit dem Wurm: „Wir wis­sen seit län­ge­rem, dass die sym­bi­on­ti­schen Bak­te­ri­en in Olavius algarvensis in ei­nem Wech­sel­spiel mit­ein­an­der die en­er­gie­rei­chen Schwe­fel­ver­bin­dun­gen für den Wurm nut­zen kön­nen.“ Aber erst jetzt konn­ten die For­scher wei­te­re Stoff­wech­sel­we­ge ent­schlüs­seln – und neue En­er­gie­quel­len aus­fin­dig ma­chen. Die Stu­die un­ter­streicht, wie wich­tig es ist, me­ta­ge­no­mi­sche Ana­ly­sen durch Me­ta­pro­teo­mik und Me­ta­bo­lo­mik zu er­gän­zen. „Der Wurm dient uns als Bei­spiel für die Kraft der Evo­lu­ti­on. Durch An­pas­sung und Se­lek­ti­on hat sich im Lau­fe von Mil­lio­nen Jah­ren ein op­ti­mal an­ge­pass­tes Wirt-Sym­bi­on­ten-Sys­tem ent­wi­ckelt. Und wenn wir an­de­re kom­ple­xen Sym­bio­sen, wie die im mensch­li­chen Darm, ver­ste­hen wol­len, könn­ten die­se schein­bar schlich­ten Mee­res­wür­mer ein gu­tes Mo­dell­sys­tem sein“, so Du­bi­lier.
Rückfragen an
Ma­nu­el Klei­ner, Di­plom-Bio­lo­ge
Max-Planck-In­sti­tut für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie
Cel­si­us­stra­ße 1
D-28359 Bre­men
Te­le­fon +49 421 2028 905
mklei­ner@mpi-bre­men.de

Prof. Dr. Ni­co­le Du­bi­lier
Max-Planck-In­sti­tut für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie
Cel­si­us­stra­ße 1
D-28359 Bre­men
Te­le­fon +49 421 2028 932
ndu­bi­lie@mpi-bre­men.de

Prof. Dr. Tho­mas Schwe­der
In­sti­tut für Phar­ma­zie
Ernst-Mo­ritz-Arndt-Uni­ver­si­tät Greifs­wald
Fried­rich-Lud­wig-Jahn-Stra­ße 17
D-17489 Greifs­wald
Te­le­fon +49 3834 864212
schwe­der@uni-greifs­wald.de

Oder die Pres­se­spre­cher
Dr. Man­fred Schlös­ser
Te­le­fon +49 421 2028704
mschloes@mpi-bre­men.de

und Dr. Rita Dun­ker
Te­le­fon +49 421 2028 856
rdun­ker@mpi-bre­men.de

Originalartikel:
Metaproteomics of a gutless marine worm and its symbiotic microbial community reveal unusual pathways for carbon and energy use
Ma­nu­el Klei­ner , Ce­ci­lia Wen­trup, Chris­ti­an Lott, Han­no Tee­ling, Sil­ke Wet­zel, Jac­que Young, Yun-Juan Chang, Ma­nesh Shah, Na­than C. Ver­Berk­moes, Jan Zar­zy­cki, Ge­org Fuchs, Ste­pha­nie Mar­kert, Kris­ti­na Hem­pel, Bir­git Voigt, Dör­te Be­cher, Ma­nu­el Lie­be­ke, Mi­cha­el Lalk, Dirk Al­brecht, Mi­cha­el He­cker, Tho­mas Schwe­der, Ni­co­le Du­bi­lier
Pro­cee­dings of the Na­tio­nal Aca­de­my of Sci­ence
doi/​10.1073/​pnas.1121198109
 
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