Gekoppeltes Hochleistungsflüssigkeitschromatographie-Quadrupol-Flugzeitmassenspektrometer (QToF-HPLC-MS)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das HPLC-QTOF Massenspektrometersystem ermöglichte in bis dato nicht bekannter Weise die Entdeckung, Strukturaufklärung und Bestimmung der Verteilung von Lipidbiomarkern in marinen Umweltproben. Die zentrale Bedeutung des Systems für unsere Arbeiten seit Inbetriebnahme ist in 26 Publikationen reflektiert, die aus der Nutzung resultierten. Mit Hilfe neuer Messverfahren, die auf dem System implementiert wurden, konnten wichtige Erkenntnisse sowohl über lebende Mikroorganismen in marinen Sedimenten als auch über molekulare Proxies zur Rekonstruktion von Paläoumweltbedingungen gewonnen werden. Im Rahmen des MARUM Fellowships von Dr. Chun Zhu und des vom europäischen Forschungsrat (ERC) geförderten Projektes DARCLIFE konnten mehrere deutlich verbesserte flüssigkeitschromatographische Auftrennungsmethoden für intakte polare Lipide und deren analoge Kernlipide in Umweltproben entwickelt werden. Gleichzeitig ermöglichte die Detektion mittels des neuen Massenspektrometers eine erhebliche Sensitivitätssteigerung im Vergleich zu unserem vorherigen Ionenfallenmassenspetrometer, so dass in summa eine Empfindlichkeitssteigerung von bis zu zwei Größenordnungen erreicht werden konnte. Mit Hilfe dieser analytischen Innovationen gelang es im ERC Projekt DARCLIFE mehrere bislang unbekannte Serien von mikrobiellen Lipiden in Sedimentproben zu identifizieren, die teilweise spezifisch den Mikroorganismen der tiefen Biosphäre zuzuordnen sind. Zu diesen neuen Biomarkern gehören archaeelle Tetraether, bei denen ein Glyzerol durch Butan- bzw. Pentantriol substituiert ist. Eine weitere neue Serie von archaellen Tetraethermolekülen tritt mono- bis polyungesättigt auf. Darüber hinaus haben wir u.a. die hydroxylierten archaeellen Tetraether erstmals identifiziert und beschrieben. Diese beispielhaft genannten Moleküle treten global verteilt in marinen Sedimenten auf und zeugen von der Verbreitung und Diversität von Archaeen in marinen Lebensräumen. Des Weiteren wurde unter kontrollierten Wachstumsbedingungen im Labor der Einfluss von Umweltbedingungen wie pH-Wert, Salinität und Temperatur auf die Lipidzusammensetzungen in Archaeenkulturen untersucht, um Proxies zu validieren bzw. zu entwickeln. Auf dem QTOF-System entwickelte Quantifizierungsverfahren sind dabei ein wichtiger Baustein, um die oft subtilen Änderungen der Lipidzusammensetzung reproduzierbar registrieren zu können. Durch Forschung im Rahmen des Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis der DFG wurden mechanistische Untersuchungen von molekularen Proxysignalen durchgeführt, die im Rahmen von Paläoumweltrekonstruktionen eine weit verbreitete Anwendung finden. So werden Verteilungsmuster von Archaeenlipiden in suspendiertem partikulärem Material in Wasserproben analysiert, um die Haupt-Exportzonen der Proxybiomarker zu bestimmen und spezifische Bezüge zwischen Lipidmustern, Proxybiomarkern und Umweltbedingungen zu erstellen. Darüber hinaus untersuchten wir im Rahmen der Leibniz Förderung systematisch Kulturen des ammoniumoxidierenden Archaeons N. maritimus und verwandter Organismen. Diese Organismen sind die Hauptquellen der für den Paläooberflächenwassertemperaturproxy TEX86 genutzten Lipide und eröffneten uns somit ein vertieftes Verständnis der Umweltfaktoren, die diesen Proxy maßgeblich beeinflussen. Im DFG-Projekt “Molecular-isotopic studies of microbial processes and organic matter in the subseafloor coalbed biosphere of Shimokita (IODP Exp. 337)” wurden Sedimentkerne aus dem bisher tiefsten im Rahmen wissenschaftlicher Ozeanbohrprogramme abgeteuften Bohrloch auf mikrobielle Lipide untersucht (Probentiefen bis fast 2,5 km unter dem Meeresboden). Im Rahmen eines China Scholarship Council Promotionsstipendiums untersucht Doktorand Weichao Wu enzymatische Abbauprozesse von archaeellen Lipiden, bei deren Quantifizierung das QTOF System eine zentrale Rolle spielt. Im MARUM Projekt GB4 („Von Element- und Energieflüssen zu Ökosystemen an hydrothermalen Austrittsstellen“) und dem MARUM Fellowship von Dr. Eoghan Reeves wurde die Quantität und Diversität von mikrobiellen Lipiden in Sulfid-Strukturen an hydrothermalen Austrittsstellen im Manus Basin, Indonesien, analysiert. Durch Kombination mit C-isotopischen Messungen an spezifischen Lipidstrukturen wurden hierbei gezielt die Prozesse der Kohlenstoffaufnahme in mikrobielle Biomasse unter Hydrothermalbedingungen untersucht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2012) Novel cardiolipins from uncultured methane-metabolizing archaea. Archaea, Vol. 2012 (2012), Article ID 832097.
Yoshinaga, M.Y., Wörmer, L., Elvert, M., and Hinrichs, K.-U.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1155/2012/832097) - Cyanobacterial heterocyst glycolipids in cultures and environmental samples: Diversity and biomarker potential.
Limnology and Oceanography, Vol. 57. 2012, Issue 6, pp. 1775-1788.
Wörmer, L.-P., Cirés, S., Velázquez, D., Quesada, A., Hinrichs, K.-U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4319/lo.2012.57.6.1775) - Extending the known range of glycerol ether lipids in the environment: structural assignments based on MS/MS fragmentation patterns. Rapid Communications in Mass Spectrometry, Vol. 26. 2012, Issue 19, pp. 2295-2302.
Liu, X.L., Summons, R.E., Hinrichs, K.-U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/rcm.6355) - Isoprenoidal glycerol dialkanol diethers: a series of novel archaeal lipids in marine sediments. Organic Geochemistry, Vol. 43. 2012, pp. 50-55.
Liu, X.L., Lipp, J.S., Schröder, J.M., Summons, R.E., Hinrichs, K.-U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2011.11.002) - Mono- and dihydroxyl Glycerol Dibiphytanyl Glycerol Tetraethers in marine sediments: identification of both core and intact polar lipid forms. Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol. 89. 2012, pp. 102-115.
Liu, X.L., Lipp, J.S., Simpson, J.H., Lin, Y.-S., Summons, R.E., and Hinrichs, K.-U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.gca.2012.04.053) - Application of two new LC-ESI-MS methods for improved detection of intact polar lipids (IPLs) in environmental samples.
Organic Geochemistry, Vol. 59. 2013, pp. 10-21.
Wörmer, L., Lipp, J.S., Schröder, J.M., and Hinrichs K.-U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2013.03.004) - Comprehensive glycerol ether lipid fingerprints through a novel reversed phase liquid chromatography-mass spectrometry protocol.
Organic Geochemistry, Vol. 65. 2013, pp. 53-62.
Zhu, C., Lipp, J. S., Wörmer, L., Becker, K. W., Schröder, J., Hinrichs, K.-U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2013.09.012) - Improved sensitivity of sedimentary phospholipid analysis resulting from a novel extract cleanup strategy. Organic Geochemistry, Vol. 65. 2013, pp. 46-52.
Zhu, R., Evans, T.W., Zhu, C., Hinrichs, K.-U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2013.10.002) - In situ production of branched glycerol dialkyl glycerol tetraethers in a Great Basin hot spring (USA). Frontiers in Microbiology, Vol. 4. 2013: 181.
Zhang, C.L., Wang, J., Dodsworth, J., Williams, A., Zhu, C., Hinrichs, K.-U., Zheng, F., Hedlund, B.P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3389/fmicb.2013.00181) - Functional structure of laminated microbial sediments from a supratidal sandy beach of the German Wadden Sea (St. Peter-Ording).
Journal of Sea Research, Vol. 85. 2014, pp. 463-473.
Bühring, S. I., Kamp, A., Wörmer, L., Ho, S., and Hinrichs, K.-U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.seares.2013.08.001) - Hypersaline conditions during deposition of the Calcare di Base revealed from archaeal di- and tetraether inventories. Organic Geochemistry, Vol. 77. 2014, pp. 11-21.
Birgel, D., Guido, A., Liu, X.L., Hinrichs, K.-U., Gier, S., Peckmann, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2014.09.002) - Microbial lipids reveal carbon assimilation patterns on hydrothermal sulfide chimneys. Environmental Microbiology, Vol. 16. 2014, Issue 11 (Special Issue: Sulfur Cycle Ecology), pp. 3515-3532.
Reeves, E.P., Yoshinaga, M.Y., Pjevac, P., Goldenstein, N., Peplies, J. Meyerdierks, A., Amann, R.I., Bach, W., Hinrichs, K.-U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/1462-2920.12525) - Pelolinea submarina gen. nov., sp. nov., an anaerobic, filamentous bacterium of the phylum Chloroflexi isolated from subseafloor sediment offshore Shimokita, Japan. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, Vol. 64. 2014: pp. 812-818.
Imachi, H., Sakai, S., Lipp, J.S., Miyazaki, M., Saito, Y., Yamanaka, Y., Hinrichs, K.-U., Inagaki, F., Takai, K.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1099/ijs.0.057547-0) - Ultra-high-resolution paleoenvironmental records via direct laser-based analysis of lipid biomarkers in sediment core samples.
Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A., Vol. 111. 2014, Issue 44, pp. 15669-15674.
Wörmer, L., Elvert, M., Fuchser, J., Lipp, J.S., Buttigieg, P.L., Zabel, M., Hinrichs, K.U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1073/pnas.1405237111)
