Mikrobielle Paläodiversität in Permafrostboden und Möglichkeiten des Überlebens von Einzelzellen in den letzten 600.000 Jahren

• Antragstellerin: Amedea Perfumo, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462858357

Mikroorganismen sind ein grundlegender Bestandteil unseres Ökosystems und daher ist ein grundlegendes Wissen darüber, wie dieser Teil der Biosphäre der Erde auf die sich schnell verändernden Umwelt- und Klimabedingungen reagiert, dringend erforderlich. Der Blick in die Vergangenheit, von Hunderten bis Millionen Jahren in der Vergangenheit bis in die Gegenwart, liefert uns einen Schlüssel zum besseren Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen, Umwelt und Klima. Mit Permafrostproben des Batagay-Megaslumps (Sibirien) bietet sich eine Fundgrube von Informationen über die letzten 600.000 Jahre der Geschichte des Ökosystems, um die mikrobielle Paläodiversität zu rekonstruieren und um den physiologischen Zustand der Mikroorganismen im Boden zu beurteilen. Lange Zeit konnten diese wissenschaftlichen Fragen nicht genau beantwortet werden, vor allem aufgrund des Mangels an geeigneten Analysemethoden. Heute erlaubt uns unser wissenschaftlicher Werkzeugkasten solche Grenzen mit neuen spektroskopischen und massenspektrometrischen Techniken zu durchbrechen. Im ersten Teil dieses Projekts werden Shotgun-Metagenomik-Analysen an alter DNA (aDNA), die aus der Permafrost-Chronosequenz extrahiert wurde, durchgeführt, um einen Bauplan der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft zu erhalten und daraus auf die sich verändernde Dynamik zu schließen. Im zweiten Teil wird ein neu entwickelten Ansatz der Nanospektroskopie in Kombination mit stabilen Isotopen (SIP-nanoFTIR) sowie der nanoskaligen Sekundärionen-Massenspektrometrie (nanoSIMS) Anwendung finden, um aktive mikrobielle Zellen zu lokalisieren, ihren Metabolismus zu quantifizieren und laufende Bioprozesse (z.B. Proteinsynthese) unter in-situ-Bedingungen über geologische Zeiträume hinweg zu identifizieren. Anschließend werden die verschiedenen Forschungsansätze und die daraus gewonnen Informationen integriert, um Schlussfolgerungen über die sich verändernden Muster der mikrobiellen Gemeinschaft vor dem Hintergrund der Paläoumwelt, des Alters und des langfristigen Überlebens des Organismus zu ziehen. Dies wird eine der allerersten Studien der mikrobiellen Umweltpaläogenomik sein und zur Etablierung dieses neu entstehenden Forschungsfeldes beitragen. Angewendet auf die Rekonstruktion des Paläoklimas wird sie neue Forschungsrichtungen eröffnen und die Verwendung von Mikroorganismen als Indikatoren für Veränderungen von Umweltbedingungen fördern und voranbringen. Darüber hinaus wird diese Studie eine neue aus der erfolgreichen Verbindung von Mikrobiologie und Biophysik hervorgegangene Methode zur Untersuchung und Visualisierung der mikrobiellen Aktivität auf Einzelmolekülebene vorstellen. Insgesamt wird dieses Projekt die mikrobielle Ökologie ins Rampenlicht der paläowissenschaftlichen Forschung rücken, Neuerungen auf mehreren Ebenen einbringen und zeigen, dass das Wissen auf mikrobieller Ebene für unser Verständnis von Ökosystemveränderungen von wesentlicher Bedeutung ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen