Physiology and ecology of ammonia-oxidizing Archaea
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Durch die Isolierung des ersten marinen Crenarchaeons Nitrosopumilus maritimus konnte gezeigt werden, dass diese in marinen Habitaten abundante Gruppe eine chemolithoautotrophe Lebensweise haben und eine wichtige Rolle im marinen Stickstoffkreislauf spielen. Unser Isolat stellte den ersten nitrifizierenden Organismen innerhalb der Domaine der Archaea dar. N. maritimus oxidiert aerob Ammoniak zu Nitrit und wächst autotroph mit Kohlendioxid/ Bicarbonat als einzige Kohlenstoffquelle. Durch die Anwendung verschiedener Methoden konnten wir in diesem Projekt nähere Einblicke in die physiologischen, genomischen und biochemischen Merkmale dieser ökologisch wichtigen Organismengruppe erlangen. Grundlage für die Durchführung von reproduzierbaren Studien waren viele Änderungen und Optimierungen innerhalb der Kultivierungsbedingungen, der Zellernte als auch der Anpassung von vielen Standardprotokollen für den Zellaufschluss oder molekularer Identifizierungsmethoden. Die Analyse der Genomsequenz zeigte, dass die Struktur als auch der Inhalt des Genoms große Ähnlichkeit mit Metagenomsequenzen besitzt und dieser Stamm als Modelorganismus für marine Ammoniak-oxidierende Archaeen angesehen werden kann. Die zentralen Stoffwechselwege von N. maritimus und der von bekannten bakteriellen Ammoniakoxidierern unterscheiden sich sehr stark. Die Untersuchungen ergaben, dass N. maritimus vermutlich ein bisher unbekanntes System für die Oxidation von Ammoniak und für den Elektronentransport verwendet, das abhängig von Kupfer ist. Im Gegensatz zu den bakteriellen Ammoniakoxidierern, die den Calvin Zyklus zur Fixierung von anorganischem Kohlenstoff verwenden, konnte ein vollständiger Weg des Hydroxypropionat/ Hydroxybutyrat-Weges rekonstruiert werden. Der unvollständige Tricarbonsäurezyklus (Fehlen eines Citrat-spaltendes Enzyms) lässt darauf schliessen, dass dieser Weg nur für Zwecke der Biosynthese dient. Die Identifizierung von Genen, die für verschiedene Transporter kodieren, lassen auf die zusätzliche Verwertung von organischen, bisher unbestimmter Verbindungen schließen. Die Funktion des postulierte Hydroxypropionat/ Hydroxybutyrat Zyklus für die C-Assimilation konnte durch die Aktivitäten von Schlüsselenzymen dieses Kohlenstofffixierungsweges bestätigt werden. So konnten unter anderem Umsetzung demonstriert werden, deren Mechanismus nicht durch die Genomanalyse entschlüsselt werden konnte. Die spezifischen Enzymaktivitäten der Malonyl-CoA Reduktase und der Succinylsemialdehyd Reduktase sind vergleichbar mit denen des thermophilen Crenarchaeons Metallosphaera medulla. Durch Kultivierungsversuche konnten organische Kohlenstoffverbindungen aus dem Kohlenstoffmetabolismus identifiziert werden, die sich in geringen Konzentration positiv auf das Wachstum von N. maritimus auswirkten. Durch Zugabe von 100 µM Glyoxylat konnte die Wachstumsrate und der spezifische Wachstumsertrag verdoppelt werden. Weiterhin konnte durch Zufütterung von Glyoxylat und Oxalacetat die maximale Zelldichte fast verzehnfacht werden. Vorläufige Versuche mittels NanoSIMS Technologie deuten darauf hin, dass organische Verbindungen in kleinen Mengen gemeinsam mit anorganischem Bicarbonat co-assimiliert werden. Wachstum ohne Bicarbonat fand nicht statt. Diese Befunde zeigen, dass Ammoniak-oxidierende Archaeen die Kapazität haben, geringe Mengen organische Kohlenstoffverbindungen zu nutzen. Die Zugabe von organischen Kohlenstoffverbindungen könnte für die Massenanzucht als auch für die Isolierung neuer Stämme eingesetzt werden. Die Kultivierung von neuartigen Ammoniak-oxidierenden Archaeen demonstrierte zweifelsfrei die Existenz dieser Organismen in natürlichen Habitaten und somit ihre wichtige Rolle in den jeweiligen Ökosystemen. Durch die Kultivierung eines thermophilen Stammes aus dem Yellowston NP bei über 70 °C konnte erstmalig Nitrifikation in extrem heißen Lebensräumen nachgewiesen werden. Der Nachweis der Lipidkomponente Crenarchaeols in diesem Stamm schliesst das Vorhandensein dieser Substanz als Anpassung an geringe Temperaturen aus und widerlegt deren Verwendung als Temperaturproxie in der Paleogeochemie. Die erfolgreiche Isolierung eines weiteren terrestrischen, jedoch mesophilen Vertreters dieser Organismengruppe ermöglicht nun die Untersuchung der physiologischen Eigenschaften. Weiterhin bieten die etablierten Kulturen die Möglichkeit der Genomsequenzierung um so Hinweise über bisher unbekannte physiologische Eigenschaften und ihren evolutionären Ursprungs zu erhalten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Cultivation of a thermophilic ammonia-oxidizing archaeon synthesizing crenarchaeol. Environ. Microbiol. (2008) 10: 810-818
J.R. de la Torre, C.B. Walker, A.E. Ingalls, M. Könneke and D.A. Stahl
- Intact membrane lipids of candidatus Nitrosopumilus maritimus, a cultivated representative of the cosmopolitan mesophilic group I crenarchaeota. Appl. Environ. Microbiol. (2008) 74: 2433-2440
S. Schouten, E.C. Hopmans, M. Baas, H. Boumann, S. Standfest, M. Könneke, D.A. Stahl and J.S. Sinninghe Damste
- Isolation of an ammonia-oxidizing archaeon from North Sea water implicates nitrification in a natural marine habitate. (2008) VAAM Jahrestagung
S. Standfest, H. Cypionka and M. Könneke
- New Crenarchaeota- the organismic link in the nitrogen cycle. Nova Acta Leopoldina (2008) NF 96, Nr 356, Suppl. 3-8
M. Könneke
- (2009) SGM Autumn Meeting, Edinburgh, UK
D. Wischer, S. Standfest, H. Cypionka and M. Könneke
- Identity and abundance of ammonia-oxidising crenarchaeota in the German Wadden Sea. (2009) VAAM Jahrestagung
D. Wischer, S. Standfest, H. Cypionka and M. Könneke
- Insight in the ecophysiology of marine ammonia-oxidizing archaea. (2009) VAAM Jahrestagung
S. Standfest, M. Hügler, D. Wischer, H. Cypionka and M. Könneke
- Operation of a hydroxypropionate/ hydroxybutyrate cycle for autotrophic carbon assimilation in the ammonia-oxidizing archaeon Nitrosopumilus maritimus. (2010) 13. International Symposium on Microbial Ecology; Seattle, USA
S. Standfest, M. Hügler, I. Berg, S. Sievert, D. Stahl and M. Könneke
- The Nitrosopumilus maritimus genome reveals unique mechanisms for nitrification and autotrophy in globally distributed marine Archaea. PNAS (2010) 107: 8818-8823
C.B. Walker et al.
