Wie Kieselalgen Zucker nutzen, um Bakterien freundlich an sich zu binden

Jedes Frühjahr, wenn das Sonnenlicht in die gemäßigten Breiten zurückkehrt, vervielfachen sich im Meer mikroskopisch kleine Algen, die Kieselalgen. Diese sogenannten Algenblüten zählen zu den produktivsten biologischen Ereignissen auf der Erde: Sie binden Kohlendioxid und versorgen die Lebewesen im Meer weltweit mit Energie. Doch die Kieselalgen leben nicht allein. Sie beherbergen ein Mikrobiom, das heißt, sie sind von Bakterien umgeben. Die Zusammensetzung dieser Bakteriengemeinschaft ist nicht zufällig. Nun hat ein Team aus Chemikern, Mikrobiologen und Ökologen eines der molekularen Signale entdeckt, mit denen Diatomeen ihr Mikrobiom auswählen.

Der Schlüssel ist ein Zucker. Ein sulfatiertes, negativ geladenes Polysaccharid, das die Kieselalgen absondern, ernährt selektiv nur jene Bakterien, die in der Lage sind, es abzubauen.

Kieselalgen geben einen Großteil ihres durch Photosynthese gebundenen Kohlenstoffs als gelöste organische Substanz an das umgebende Meerwasser ab, meist in Form von Kohlenhydraten wie Zuckern. Forschende vermuten schon lange, dass einige dieser Zuckerarten beeinflussen könnten, welche Bakterien in der Umgebung der Kieselalgen gedeihen. Welche Moleküle dabei konkret eine Rolle spielen, war jedoch bislang unbekannt.

„Wir stellten fest, dass immer wieder dieselben Bakterien auftauchten, wo Kieselalgen blühten“, sagt Jan-Hendrik Hehemann vom MARUM – Zentrum für marine Umweltwissenschaften an der Universität Bremen. „Irgendetwas musste sie miteinander verbinden.“

Ein Team unter der Leitung von Joris Krull am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen hat nun entdeckt, dass die zentrische KieselalgeConticribra weissflogiiein bisher unbekanntes Zuckerpolymer absondert: ein strukturell gleichmäßiges, stark geladenes Polysaccharid, das fast ausschließlich aus Mannose besteht, wobei an jede Zuckereinheit eine Sulfatgruppe gebunden ist. Seine Struktur wurde mittels Kernspinresonanzspektroskopie vorhergesagt und durch den Vergleich mit einem chemisch synthetisierten Referenzstandard bestätigt.

Nicht jedes Bakterium kann dieses sulfatierte Mannan verwerten. Nur Bakterien, die über einen speziellen Satz von Enzymen verfügen – ein für diese Nahrung maßgeschneidertes Besteck –, können es aufspalten und als Kohlenstoffquelle nutzen.

Um die vorhergesagte Struktur zu bestätigen, stellte das Team Referenzverbindungen her, kurze Zuckerketten namens Oligosaccharide.„Wir waren überrascht,wie einfach die Struktur dieses Glykans war“, sagt Conor Crawford vom Trinity College Dublin. „Viele sulfatierte Polysaccharide aus Algen sind zu komplex, um sie genau zu charakterisieren. Dieses hier war es nicht.“ 

„Die strukturelle Einfachheit dieses Glykans war überraschend“, sagt Conor Crawford vom Trinity College Dublin. „Viele sulfatierte Polysaccharide aus Algen sind zu komplex, um sie genau zu charakterisieren. Dieses hier war es nicht.“

Unter der Leitung von Joris Krull gelang es dem Team, genau zu ermitteln, wie die insgesamt vier Enzyme zusammenwirken. Dabei zeigte sich: Zwei Enzyme zerlegen das Polymer außerhalb der Bakterienzelle das Polymer in kleinere Stücke, während zwei weitere im Inneren den Vorgang vollenden und den Einfachzucker Mannose freisetzen.

Die Autoren wiesen nach, dass Bakterien, denen dieses enzymatische Besteck fehlt, das Polysaccharid überhaupt nicht verwerten können, während diejenigen, die es besitzen, es als einzige Kohlenstoffquelle nutzen können. Zu den in dieser Arbeit entdeckten Enzymen gehört eine Enzymklasse, die der Wissenschaft bisher unbekannt war.

Diese Entdeckung basiert auf einem langjährigen Datensatz von mikrobiologischen und molekularen Messreihen, erhoben in der Nähe der Insel Helgoland in der Nordsee. Dies nun vorliegenden Ergebnisse waren nur möglich durch die umfassende Zusammenarbeit zwischen Technikern, Ingenieuren, Forschenden und wissenschaftsstützendem Personal, die am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, der Universität Greifswald, dem MARUM – Zentrum für marine Umweltwissenschaften an der Universität Bremen und dem Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI), tätig sind. Erfolgreiche Wissenschaft braucht ein ganzes Dorf. 

Die Bakterien, die am besten dafür geeignet sind, diesen Zucker zu verwerten, sind Arten der Gattung Polaribacter, einer Gruppe mariner Bakterien. „Der Datensatz zeigt, dass die Bestände von Polaribacter, die die spezifischen Enzyme tragen, synchron mit der Blüte der Kieselalgen zu- und abnehmen – Jahr für Jahr über viele Beobachtungsjahre hinweg“, sagt Chandni Sidhu, die die metagenomische Analyse am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie leitete.

„Es war sehr auffällig, wie regelmäßig dies geschah“ sagt Joris Krull. „Dieselben Bakterien mit denselben Enzymen folgen regelmäßig denselben Kieselalgen, fast jedes Jahr.“

Um zu prüfen, ob diese Beziehung auch außerhalb der Nordsee besteht, durchsuchte das Team einen globalen Datensatz, der von derTara-Ozeanexpedition gesammelt wurde und 45 Standorte im Atlantik, Pazifik und Indischen Ozean umfasst. Sie stellten fest, dass die Gene für den Mannanabbau weltweit vorkommen. Genexpressionsdaten bestätigten, dass diese Enzyme im offenen Ozean nicht nur vorhanden sind, sondern auch aktiv genutzt werden.

„Wir können beobachten, wie diese bakteriellen Gene im Laufe der Zeit im gesamten Ozean immer wieder auftauchen“, sagt Chandni Sidhu. „Das zeigt, dass es sich nicht um eine kuriose Nische handelt. Es geschieht dort draußen auf globaler Ebene.“

„Wir können beobachten, wie diese bakteriellen Gene im Laufe der Zeit über den Ozean hinweg immer wieder auftauchen“, sagt Chandni Sidhu. „Das zeigt, dass es sich hierbei nicht um eine Nischenerscheinung handelt. Es geschieht dort draußen auf globaler Ebene.“

Die gleiche Mannanstruktur wurde auch in den Sekreten von drei weiteren ökologisch bedeutenden Arten von Kieselalgen gefunden. Dies lässt vermuten, dass es sich um ein weit verbreitetes Merkmal der Kieselalgenbiologie handelt.

Das sulfatierte Mannan scheint aber mehr, als nur Bakterien zu ernähren. Die Forschenden vermuten, dass es aufgrund seiner starken negativen Ladung und seiner chemischen Struktur mit Proteinen auf der Oberfläche der Bakterienzellen reagieren kann. Dies könnte Bakterien behindern, die es nicht abbauen können, während diejenigen begünstigt werden, die dazu in der Lage sind.

„Die Kieselalge verliert nicht passiv ihren Zucker“, sagt Hehemann. „Wie alle Eukaryoten, die von Bakterien umgeben sind, stehen sie unter ständigem Überlebensdruck. Ich glaube, sie nutzt den Zucker, ein Polyelektrolytmolekül, wie einen elektrischen Zaun, eine hochgeladene Molekülkette, die darauf ausgelegt ist, Bakterien in Schach zu halten. Dies lässt den ‚freundlichen‘ Bakterien keine andere Wahl, als den Zaun zu essen oder zu sterben.“ Dieses Prinzip könnte auch für andere mikrobielle Gemeinschaften gelten, etwa in unserem Darm, in dem sich geladene Polysaccharide aus verzehrtem Obst und Gemüse finden.

Insgesamt beschreibt die Arbeit eine chemisch spezifische Partnerschaft zwischen Kieselalgen und spezialisierten Bakterien, die durch ein einzelnes sulfatiertes Polysaccharid und einen speziellen Abbauweg vermittelt wird.

Auf der Ebene von Meeresblüten könnten solche Partnerschaften nicht nur bestimmen, wer was frisst, sondern auch, wie Kohlenstoff zirkuliert und wie viel davon letztendlich in die Tiefe sinkt.

J. Krull, C. Sidhu, V. Solanki, M. Bligh, L. Rößler, R.K. Singh, G. Huang, C.S. Robb, H. Teeling, P.H. Seeberger, T. Schweder, C.J. Crawford & J.-H. Hehemann. Sulfated mannan of diatoms selects host-specific microbiota in the sunlit ocean.Microbiome(2026). https://doi.org/10.1186/s40168-026-02379-9

• Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Bremen, Deutschland
• MARUM Zentrum für marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen, Bremen, Deutschland
• Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam, Deutschland
• School of Chemistry, Trinity Biomedical Sciences Institute, Trinity College Dublin, Dublin, Irland
• Institut für Pharmazie, Universität Greifswald, Greifswald, Deutschland