Neues aus der Schatzkiste symbiontischer Mikrobiome

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  • Abb. 1: Sphagnum-Moose (S. fallax und S. magellanicum) sowie die Lungenflechte (Lobaria pulmonaria) an ihrem natürlichen Standort.Abb. 1: Sphagnum-Moose (S. fallax und S. magellanicum) sowie die Lungenflechte (Lobaria pulmonaria) an ihrem natürlichen Standort.
  • Abb. 1: Sphagnum-Moose (S. fallax und S. magellanicum) sowie die Lungenflechte (Lobaria pulmonaria) an ihrem natürlichen Standort.
  • Abb. 2: Verschiedene Mikrofotografien von der Lungenflechte. Die beteiligten Organismen (Pilz, Algen und Bakterien) wurden am konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop sichtbar gemacht. Die Pilzhyphen bilden erkennbar die Grundstruktur. Während die Bakterien durch Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) mit unterschiedlichen Sonden gefärbt (gelb, rot) wurden, erscheinen die Alrgen durch Autofluoreszenz grün.
  • Abb. 3: Verschiedene Mikrofotografien von Sphagnum-Moospflänzchen. Die Bakterien wurden durch Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) mit unterschiedlichen Sonden angefärbt und durch das konfokale Laser-Scanning-Mirkoskop sichtbar gemacht. Die Moose zeichnen sich durch zwei verschiedene Zelltypen aus: kleine, photosynthetisch aktive Chlorozyten (mit grünen Chloroplasten) und geräumige, mit der Außenwelt durch Poren verbundene Hyalozyten (mit rot gefärbten Bakterien).

Die Mikrobiomforschung ist ein derzeit expandierendes Forschungsfeld mit vielen offenen Fragen und Entwicklungsmöglichkeiten. Erste Erkenntnisse legen eine bislang große und oft unerwartete Vielfalt in Mikrobiomen offen, allerdings sind die beeinflussenden Faktoren, Funktionen und Interaktionen zwischen Mikrobiomen oft nicht bekannt. Die Analyse von symbiontischen Mikrobiomen hilft die Ökologie ihrer Wirte zu verstehen sowie Krankheiten zu vermeiden und öffnet gleichzeitig ein interessantes neues Feld für biotechnologische Anwendungen.

Entdeckungsgeschichte

Erst im letzten Jahrzehnt ließ sich die Schatzkiste der mikrobiellen Gemeinschaften öffnen und förderte eine erstaunliche funktionelle und strukturelle Vielfalt an das Licht. Bereits im 17. Jahrhundert wurde die Existenz einzelner Mikroorganismen durch die Erfindung des Mikroskops durch Antoni van Leeuwenhoek sichtbar gemacht; ihre Identität sowie die Struktur komplexer Gemeinschaften aus ihnen blieb jedoch mehrere Jahrhunderte völlig unbekannt. Erst Ende des 20. Jahrhunderts wurde die Technik entwickelt, die es erlaubt, molekulare Fingerprints von Mikroorganismen-Gemeinschaften abzubilden. Diese Technik rief bereits eine erste Blüte der mikrobiellen Ökologie hervor, da man nun damit mehr (ca. 20 %) der existierenden Mikroorganismen erfassen konnte. Mit bis dahin üblichen Kultivierungsmethoden waren maximal 3 % von ihnen detektierbar. Erst die kürzlich entwickelte Hochdurchsatzsequenzierung von DNA machte es nun möglich, das volle Ausmaß dieser mikrobiellen Vielfalt zu erfassen [1].

Ökologische Erkenntnisse

Studien, die in den letzten 10 Jahren durchgeführt wurden, ergaben eine hohe Anzahl  an Organismen von überraschender Vielfalt in den mikrobiellen Ökosystemen. Dabei hat sich herausgestellt, dass eukaryotische Organismen ein eigenes Mikrobiom mit vielen wertvollen Funktionen besitzen. Zum Beispiel leben im menschlichen Darm mehr als 100 Trillionen Mikroorganismen; eine Zahl, die 10x größer ist als der menschliche Körper Zellen besitzt [2]. Die Artenzahl von Mikroorganismen, die den menschlichen Körper besiedeln, wird auf mehr als 10.000 geschätzt. Ähnliche Dimensionen werden für Pflanzen berichtet: in der Pflanzenwurzel, die wie unser Darm der Nährstoffaufnahme dient, leben mehr Mikroorganismen, als Menschen auf der Erde [3,4].

Die komplexen Mikroorganismengemeinschaften werden als Mikrobiome bezeichnet.

Symbiose bezeichnet eine vorteilhafte Vergesellschaftung von Individuen unterschiedlicher Arten. Der Begriff wurde von Anton de Bary (1878) geprägt, der an Flechten – der klassischen Symbiose von Pilz und Alge/Cyanobacteria – forschte. In der Abbildung 1 ist die Lungenflechte (Lobaria pulmonaria L.) dargestellt, eine vom Aussterben bedrohte wichtige Indikatorflechte für Luftreinheit. Mehr als ein Jahrhundert später konnte festgestellt werden, dass Flechten ein strukturiertes Mikrobiom, wie in Abbildung 2 im Detail dargestellt, mit mehr als 500 artspezifischen Bakterienarten enthalten [5,6]. Die Flechtensymbiose erlaubt allen beteiligten Partnern ein langes Leben an oft extrem unwirtlichen Standorten. Wir haben herausgefunden, dass das flechtenassoziierte Mikrobiom hierfür eine wichtige Rolle spielt: es schützt die Flechte vor biotischem und abiotischem Stress und versorgt sie mit Vitaminen, Nährstoffen und Spurenelementen. Die Flechtensymbiose muss hiermit um einen 3. Partner – ihr symbiontisches Mikrobiom - erweitert werden. Auch Moose gehen eine Symbiose ein, um extreme Standorte zu besiedeln. Sphagnum-Arten formen Moorökosysteme, die zu den ältesten Vegetationsformen der Erde zählen, wichtige Kohenstoffsenken bilden und somit unser Weltklima schützten (Abb. 1). Die Moospflänzchen enthalten eine Vielzahl großvolumiger Zellen, die als Wasserreservoir dienen, aber offensichtlich auch als Siedlungsraum für viele Bakterienkolonien (Abb. 3). Im Moor, wo die Moose ombrotroph, d.h. nur von Regenwasser leben, benötigen sie die Hilfe der Mikroorganismen. Das Mikrobiom der ca. 300 existierenden Sphagnum-Arten ist ungewöhnlich artspezifisch und zeichnet sich durch extrem angepasste Bakterienarten aus. Sphagnum-Moose werden durch zahlreiche stickstofffixierende und phosphatmobilisierende Bakterien besiedelt, die wertvolle Nährstoffe für das Pflanzenwachstum liefern [7]. Gleichzeitig findet sich hier eine sehr hohe Anzahl von Bakterien, die antimikrobielle Substanzen bilden [8].

Biotechnologie: neue Biologicals

Die Hochdurchsatzsequenzierung von DNA und assoziierte Technologien brachten den Durchbruch für das Verständnis von Mikrobiomen, aber wie kann man die Erkenntnisse auch biotechnologisch umsetzen? Das ökologische Wissen hilft hier durchaus, wichtige Zusammenhänge zu verstehen. Alle bislang untersuchten Mikrobiome, die mit Eukaryoten assoziiert sind, haben einen entscheidenden Einfluss auf die Gesundheit ihres Wirtes. Eine Vielzahl von unseren Erkrankungen inkl. Adipositas, mentale Erkrankungen sind mit Mikrobiom-Disbalancen assoziiert. Das trifft genauso auf die Pflanzengesundheit zu. Aus diesen Erkenntnissen heraus wurden Biologicals entwickelt, die Auswirkungen der Disbalancen reduzieren. Sie basieren auf ganzen Mikrobiomen, mikrobiellen Konsortien oder Einzelorganismen. Zusätzlich gibt es auch die Möglichkeit, die Mikrobiome durch abiotische Parameter zu manipulieren. Das Prinzip der Mikrobiomverpflanzung wurde sehr erfolgreich bei der Stuhltransplantation eingesetzt, die sich durch eine sehr hohe Erfolgsquote auszeichnet [9]. Parallel wurden für Pflanzen Biologicals entwickelt, die mikrobiellen Konsortien oder Einzelorganismen enthalten und Pathogene kontrollieren [10]. Ein großer Vorteil ist es, dass zur Entwicklung dieser Produkte erstmals möglich ist, gezielte Untersuchungen durchzuführen, die auch vorhersagbare Modelle liefern und somit eine sichere Wirkung von biotechnologischen Produkten erlauben [10].

Da nur ein sehr geringer Teil von den Mikroorganismen insbesondere von den Extremstandorten kultivierbar ist, ist es sehr wichtig, neue Wege zur Kultivierung oder molekularen Erkundung dieser Mikrobiome zu gehen. Für die Isolierung haben wir eine Fangpflanzenmethode entwickelt, die eine Selektion interessanter Stämme aus Mikrobiomen durch Kulturpflanzen erlaubt [11]. Hierdurch konnten insbesondere Bakterien isoliert werden, die Pflanzen vor abiotischem Stress schützen, eine Fähigkeit, die unter zunehmenden Klimaveränderungen ganz entscheidend für unsere Nahrungsmittelproduktion werden kann. Dennoch ist die Herausforderung, mehr Mikroorganismen für eine potenzielle biotechnologische Nutzung zu kultivieren, groß! Dies trifft nicht nur auf Bakterien sondern vor allem auf Archeaeen zu, die, wie gerade unlängst festgestellt sowohl die menschliche Haut [12] als auch Bäume [13] besiedeln und über deren funktionelle Aspekte wir fast überhaupt nichts wissen.

Biotechnologie: neue Wirkstoffe

Ein weiterer Zugang zur Vielfalt mikrobiologischer Systeme wird durch molekulares Screening ermöglicht. Hier sind symbiotische Mikrobiome besonders interessant, da die Vielzahl der Interaktionen oft durch unbekannte Gene und Proteine umgesetzt wird. Dabei wird die Gesamtheit der Genome in einem Mikrobiom als Metagenom bezeichnet. Mittels Hochdurchsatzsequenzierung von DNA können Metagenome in einer großen Tiefe sequenziert werden. Die Sequenzen eines Metagenoms können anschließend bioinformatisch wieder zusammengesetzt werden um deren Funktionen zu ermitteln. Die Analyse des Sphagnum-Metagenoms ergab einzigartige Funktionen für den Schutz vor abiotischen Stress aber auch zur Kommunikation und Interaktion der Mikroorganismen [14].

Die Metagenome können ebenfalls nach einzelnen Sequenzen in silico durchsucht werden, die für Enzyme oder Sekundärmetabolite kodieren. Zusätzlich zur Computer-basierten Auswertung können Klon-Bibliotheken erstellt werden, die unbekannte Gensequenzen enthalten, und einem funktionellen Screening unterzogen werden. Auf diese Weise kann die unerschlossene chemische Vielfalt mikrobieller Naturstoffe für die Entwicklung neuer Arzneimittel benutzt werden. Dies ist heutzutage von besonderer Bedeutung in der Bekämpfung von (multi)-resistenten Human- und Tierpathogenen und in der Krebstherapie. Nichtribosomale Peptide und Polyketide bilden eine erstaunlich große Gruppe an solchen bio-aktiven Naturstoffen, die u. a. Anwendung in der Medizin als Antibiotika, Immunosuppressiva und Tumortherapeutika finden. So ist es für das Sphagnum-Metagenom gelungen, Gene, die neue nichtribosomale Peptidsynthetasen und Polyketidsynthasen kodieren, sowie bislang unbekannte Enzyme zu finden [15]. Die Entdeckung von mikrobiellen Enzymen ermöglicht weiterhin die Entwicklung und Ausweitung von nachhaltigern industriellen Bioprozessen für die Produktion von Pharmazeutika und anderen Wirkstoffen. Nicht zuletzt können Metabolite von großem Interesse sein, die sowohl in mikrobiellen Gemeinschaften als auch in Einzelorganismen detektiert werden können. In letzter Zeit haben insbesondere flüchtige organische Verbindungen oder VOCs (volatile organic compounds) Aufmerksamkeit erregt, da sie bereits in sehr geringen Mengen wirksam sind. Sie sind zum Beispiel in der Lage, multiresistente Pathogene zu bekämpfen.

Danksagung

Die Forschung wurde durch den FWF (FWF-DACH I882) gefördert. Weiterer Dank gebührt NAWI Graz für die Mitfinanzierung der Mikroskopieausrüstung. Erkenntnisse zum Manuskript wurden teilweise in Kooperation und durch Unterstützung des ACIBs (Austrian Centre of Industrial Biotechnology) gewonnen, welches durch die folgenden Organisationen gefördert wird: Austrian BMWFJ, BMVIT, SFG, Standortagentur Tirol und ZIT (Austrian FFG-COMET-Funding Program).

Referenzen
[1]    Jansson JK. et al.: Environ Microbiol 14: 1–3 (2012)
[2]    Blaser M. et al.: Nat Rev Microbiol. 11:213-7 (2013)
[3]    Philippot L.: Nat Rev Microbiol 11: 789-99 (2013)
[4]    Berg G. et al.: e-book: http://journal.frontiersin.org/ResearchTopic/15431.(2015)
[5]    Grube M. et al.: ISME J 3:1105-15 (2009)
[6]    Grube M. et al.: ISME J 4: (2014)
[7]    Bragina A. et al.: ISME J 6: 802-813 (2012)
[8]    Opelt K. et al.: FEMS Microbiol Ecol (2007)
[9]    De Vrieze J.: Science 341: 954-957 (2013)
[10]    Berg G. et al.: Agronomy 3: 648-656 (2013)

Weitere Litertaur ist direkt bei der Autorinerhältlich.

Autoren
Gabriele Berg1,2 Armin Erlacher1, Christina Andrea Müller2

Zugehörigkeit
1Institute of Environmental Biotechnology, Graz University of Technology, Graz, Österreich
2Austrian Centre of Industrial Biotechnology (ACIB GmbH), Graz, Österreich

Kontakt
Gabriele Berg

Institut für Umwelt-Biotechnologie
Technische Universität Graz
Österreich
Graz, Österreich

Kontaktieren

Technische Universität Graz
Petergasse 12
8010 Graz
Österreich
Telefon: +43 316 873 0

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