Wissenschaftler entdecken eine neue Möglichkeit, genetische Informationen in einer gewöhnlichen Meeresmikrobe auszutauschen

Von den Tropen bis zu den Polen, von der Meeresoberfläche bis zu mehreren hundert Metern Tiefe wimmelt es in den Weltmeeren von einem der kleinsten Organismen: einer Bakterienart namens Prochlorococcus, die trotz ihrer winzigen Größe gemeinsam für einen beträchtlichen Teil des Meeres verantwortlich sind die Sauerstoffproduktion der Ozeane. Aber die bemerkenswerte Fähigkeit dieser winzigen Organismen, sich zu diversifizieren und an solch völlig unterschiedliche Umgebungen anzupassen, ist ein Rätsel geblieben.

Jetzt zeigen neue Forschungsergebnisse, dass diese winzigen Bakterien durch einen bisher nicht dokumentierten Mechanismus genetische Informationen miteinander austauschen, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind. Dadurch können sie ganze Genblöcke übertragen, etwa solche, die ihnen die Fähigkeit verleihen, einen bestimmten Nährstoff zu verstoffwechseln oder sich gegen Viren zu verteidigen, auch in Regionen, in denen sie im Wasser relativ dünn besiedelt sind.

Die Ergebnisse beschreiben eine neue Klasse genetischer Mittel, die am horizontalen Gentransfer beteiligt sind, bei dem genetische Informationen direkt zwischen Organismen – ob derselben oder verschiedener Arten – auf andere Weise als durch direkte Abstammung weitergegeben werden. Die Forscher haben die Agenten, die diesen Transfer durchführen, „Tycheposons“ genannt, das sind DNA-Sequenzen, die mehrere ganze Gene sowie umgebende Sequenzen umfassen können und sich spontan von der umgebenden DNA trennen können. Dann können sie durch das eine oder andere mögliche Trägersystem zu anderen Organismen transportiert werden, einschließlich winziger Bläschen, die als Vesikel bekannt sind und die Zellen aus ihren eigenen Membranen produzieren können.

Die Forschung, die das Studium Hunderter von Prochlorococcus-Genome aus verschiedenen Ökosystemen auf der ganzen Welt sowie im Labor gezüchtete Proben verschiedener Varianten und sogar im Labor durchgeführte und beobachtete Evolutionsprozesse umfasste, wird heute in der Zeitschrift berichtet Zellein einem Artikel der ehemaligen MIT-Postdocs Thomas Hackl und Raphaël Laurenceau, zu Besuch bei Postdoc Markus Ankenbrand, Institutsprofessorin Sallie „Penny“ Chisholm und 16 anderen am MIT und anderen Institutionen.

Chisholm, der 1988 eine Rolle bei der Entdeckung dieser allgegenwärtigen Organismen spielte, sagt über die neuen Erkenntnisse: „Wir sind sehr aufgeregt darüber, weil es ein neues horizontales Gentransfermittel für Bakterien ist und viele der Muster erklärt die wir bei Prochlorococcus in freier Wildbahn sehen, die unglaubliche Vielfalt.“ Die winzigen Varianten der sogenannten Cyanobakterien, die heute als die am häufigsten vorkommenden photosynthetischen Organismen der Welt gelten, sind auch die kleinsten aller Photosynthesegeräte.

Laut Hackl, der jetzt an der Universität Groningen in den Niederlanden ist, begann die Arbeit mit der Untersuchung der 623 gemeldeten Genomsequenzen verschiedener Prochlorococcus-Arten aus verschiedenen Regionen, um herauszufinden, wie sie bestimmte Funktionen so leicht verlieren oder erhalten konnten trotz ihres offensichtlichen Fehlens eines der bekannten Systeme, die den horizontalen Gentransfer fördern/verstärken, wie etwa Plasmide oder Viren, die als Prophagen bekannt sind.

Was Hackl, Laurenceau und Ankenbrand untersuchten, waren „Inseln“ aus genetischem Material, die Hotspots der Variabilität zu sein schienen und oft Gene enthielten, die mit bekannten Schlüsselüberlebensprozessen wie der Fähigkeit, essentielle und oft limitierende Nährstoffe wie Eisen aufzunehmen, in Verbindung gebracht wurden, oder Stickstoff oder Phosphate. Diese Inseln enthielten Gene, die sich zwischen verschiedenen Arten enorm unterschieden, aber immer in den gleichen Teilen des Genoms auftraten und manchmal sogar bei sehr unterschiedlichen Arten nahezu identisch waren – ein starker Hinweis auf horizontalen Transfer.

Doch die Genome zeigten keine der üblichen Merkmale sogenannter mobiler genetischer Elemente, sodass dies zunächst ein Rätsel blieb. Allmählich wurde deutlich, dass sich dieses System des Gentransfers und der Diversifizierung von allen anderen Mechanismen unterschied, die bei anderen Organismen, einschließlich beim Menschen, beobachtet wurden.

Hackl beschreibt, was sie gefunden haben, als so etwas wie ein genetisches LEGO-Set, mit DNA-Bruchstücken, die so gebündelt sind, dass sie fast sofort die Fähigkeit verleihen, sich an eine bestimmte Umgebung anzupassen. Zum Beispiel könnte eine Art, die durch die Verfügbarkeit bestimmter Nährstoffe eingeschränkt ist, Gene erwerben, die notwendig sind, um die Aufnahme dieses Nährstoffs zu verbessern.

Die Mikroben scheinen eine Vielzahl von Mechanismen zu verwenden, um diese Tycheposons zu transportieren (ein Name, der vom Namen der griechischen Göttin Tyche, Tochter von Oceanus, abgeleitet ist). Eine davon ist die Verwendung von Membranvesikeln, kleinen Bläschen, die von der Oberfläche einer Bakterienzelle abgelöst und mit Tycheposons darin freigesetzt werden. Eine andere besteht darin, Virus- oder Phageninfektionen zu „entführen“ und ihnen zu erlauben, die Tycheposons zusammen mit ihren eigenen infektiösen Partikeln, Kapsiden genannt, zu tragen. Das seien effiziente Lösungen, sagt Hackl, „denn im offenen Ozean haben diese Zellen selten Zell-zu-Zell-Kontakte, sodass es für sie schwierig ist, genetische Informationen ohne Vehikel auszutauschen.“

Und tatsächlich, als Kapside oder Vesikel untersucht wurden, die aus dem offenen Ozean gesammelt wurden, „sind sie tatsächlich ziemlich angereichert“ an diesen genetischen Elementen, sagt Hackl. Die Pakete mit nützlicher genetischer Kodierung „schwimmen tatsächlich in diesen extrazellulären Partikeln herum und können möglicherweise von anderen Zellen aufgenommen werden.“

Chisholm sagt, dass es „in der Welt der Genomik viele verschiedene Arten dieser Elemente gibt“ – DNA-Sequenzen, die von einem Genom auf ein anderes übertragen werden können. „Das ist jedoch ein neuer Typ“, sagt sie. Hackl fügt hinzu, dass „es eine eigenständige Familie mobiler genetischer Elemente ist. Sie hat Ähnlichkeiten mit anderen, aber keine wirklich engen Verbindungen zu ihnen.“

Während diese Studie spezifisch für Prochlorococcus war, glaubt Hackl, dass das Team glaubt, dass das Phänomen allgemeiner sein könnte. Sie haben bereits ähnliche genetische Elemente in anderen, nicht verwandten Meeresbakterien gefunden, diese Proben jedoch noch nicht im Detail analysiert. „Analoge Elemente wurden in anderen Bakterien beschrieben, und wir glauben jetzt, dass sie ähnlich funktionieren könnten“, sagt er.

„Es ist eine Art Plug-and-Play-Mechanismus, bei dem Sie Teile haben können, mit denen Sie herumspielen und all diese verschiedenen Kombinationen erstellen können“, sagt er. „Und mit der enormen Populationsgröße von Prochlorococcus kann es viel herumspielen und viele verschiedene Kombinationen ausprobieren.“

Nathan Ahlgren, Assistenzprofessor für Biologie an der Clark University, der nicht an dieser Forschung beteiligt war, sagt: „Die Entdeckung von Tycheposons ist wichtig und aufregend, weil sie ein neues mechanistisches Verständnis dafür liefert, wie Prochlorococcus in der Lage sind, neue Gene ein- und auszuwechseln, und damit ökologisch wichtige Merkmale. Tycheposons liefern eine neue mechanistische Erklärung dafür, wie es gemacht wird.“ Er sagt: „Sie haben einen kreativen Weg eingeschlagen, um diese neuen genetischen Elemente, die sich in den Genomen von Prochlorococcus ‚verstecken‘, herauszufischen und zu charakterisieren.“

Er fügt hinzu, dass genomische Inseln, die Teile des Genoms, in denen diese Tycheposons gefunden wurden, „in vielen Bakterien zu finden sind, nicht nur in Meeresbakterien, sodass zukünftige Arbeiten an Tycheposons weitreichendere Auswirkungen auf unser Verständnis der Evolution bakterieller Genome haben werden.“

Das Team bestand aus Forschern des Department of Civil and Environmental Engineering des MIT, der Universität Würzburg in Deutschland, der University of Hawaii at Manoa, der Ohio State University, Oxford Nanopore Technologies in Kalifornien, dem Bigelow Laboratory for Ocean Sciences in Maine und dem Wellesley College.