Forscher entschlüsseln das Innenleben des Bakteriums A. aromaticum

Den Stoffwechsel eines wichtigen Umweltkeims hat ein Team um Forscher der Universität Oldenburg im Detail aufgeklärt. Dieses ganzheitliche Verständnis ermöglicht eine zuverlässige Vorhersage des Wachstums der Mikroben. Die Art ist auf den Abbau langlebiger organischer Substanzen spezialisiert und spielt daher eine wichtige Rolle in der biologischen Bodensanierung.

Ein Team um den Mikrobiologen Prof. Dr. Ralf Rabus von der Universität Oldenburg und seinen Ph.D. Student Patrick Becker hat tiefe Einblicke in die zellulären Mechanismen eines weit verbreiteten Umweltbakteriums gewonnen. Die Forscher untersuchten das gesamte Stoffwechselnetzwerk des Bakterienstamms Aromatoleum aromaticum EbN1T und nutzten die Ergebnisse, um ein Stoffwechselmodell zu entwickeln, mit dem sie das Wachstum dieser Mikroben unter verschiedenen Umweltbedingungen vorhersagen können.

Wie die Forscher berichten mSysteme, enthüllte ihre Analyse einige unerwartete Mechanismen, die es diesen Bakterien anscheinend ermöglichen, sich an sich schnell ändernde Umweltbedingungen anzupassen. Die Ergebnisse der Studie sind wichtig für die Ökosystemforschung, ein Gebiet, in dem der Aromatoleum-Stamm als Vertreter einer Schlüsselgruppe von Umweltbakterien als Modellorganismus dienen kann, und könnte auch für die Altlastensanierung von Interesse sein biotechnologische Anwendungen.

Der untersuchte Bakterienstamm ist spezialisiert auf die Nutzung schwer abbaubarer organischer Substanzen, die in der Regel im Boden und in aquatischen Sedimenten vorkommen. Die Mikroben gedeihen in einer Vielzahl von Bedingungen, einschließlich sauerstoffarmer, sauerstoffarmer und sauerstofffreier Schichten, und sind auch in Bezug auf die Nährstoffaufnahme äußerst vielseitig.

Sie verstoffwechseln mehr als 40 verschiedene organische Verbindungen, darunter hochstabile, natürlich vorkommende Substanzen wie Bestandteile von Lignin, dem Hauptstrukturmaterial von Holz, sowie langlebige Schadstoffe und Bestandteile von Erdöl.

Insbesondere Substanzen mit einem Benzolring aus sechs Kohlenstoffatomen, sogenannte Aromaten, können von diesen Mikroben biologisch abgebaut werden – mit oder ohne Hilfe von Sauerstoff. Aufgrund dieser Fähigkeiten spielt Aromatoleum eine wichtige ökologische Rolle beim vollständigen Abbau organischer Verbindungen in Böden und Sedimenten zu Kohlendioxid – ein Prozess, der auch in der biologischen Bodensanierung nützlich ist.

Ziel der aktuellen Studie war es, ein ganzheitliches Verständnis der Funktionsweise dieses Einzellers zu erlangen. Dazu kultivierten die Forscher die Mikroben sowohl unter oxischen als auch unter anoxischen Bedingungen – also mit und ohne Sauerstoff – auf fünf verschiedenen Nährsubstraten. Für jede dieser zehn verschiedenen Wachstumsbedingungen haben sie 25 Kulturen gezüchtet und die verschiedenen Proben anschließend mit molekularbiologischen Methoden (Fachbegriff: Multi-Omics) untersucht, die eine gleichzeitige Analyse aller in einer Zelle abgeschriebenen Gene, aller produzierten Proteine ​​und Proteine ​​ermöglichen alle seine Stoffwechselprodukte.

„Mit diesem systembiologischen Ansatz gewinnt man ein tiefes Verständnis für das gesamte Innenleben eines Organismus“, erklärt Rabus, der die Forschungsgruppe Allgemeine und Molekulare Mikrobiologie am Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) der Universität Oldenburg leitet ). „Man zerlegt das Bakterium in seine Einzelteile und setzt sie dann wieder zusammen – in einem Modell, das vorhersagt, wie schnell eine Kultur wächst und wie viel Biomasse sie produziert.“

Durch ihre akribische Arbeit erlangten die Forscher ein umfassendes Verständnis der Stoffwechselreaktionen dieses Bakterienstamms. Sie fanden heraus, dass rund 200 Gene an den Abbauprozessen beteiligt sind und ermittelten, welche Enzyme die als Nährstoffe zugesetzten Stoffe abbauen und über welche Zwischenstufen die verschiedenen Nährstoffe abgebaut werden. Die Wissenschaftler haben ihre Erkenntnisse über das metabolische Netzwerk in ein Wachstumsmodell einfließen lassen und gezeigt, dass die Modellvorhersagen weitgehend mit den gemessenen Daten übereinstimmten.

„Wir können den Organismus jetzt mit einer Genauigkeit beschreiben, die bisher nur mit sehr wenigen anderen Bakterien möglich war“, sagt Rabus. Diese ganzheitliche Betrachtung des zellulären Innenlebens der Bakterien bilde die Grundlage für ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen dem analysierten Stamm (und verwandten Bakterien) und ihrer biotischen und abiotischen Umgebung, fügt er hinzu, und könne Wissenschaftlern auch helfen, deren Aktivität besser vorherzusagen Einzeller in belasteten Böden und bestimmen so beispielsweise die optimalen Bedingungen für die Altlastensanierung.

Durch die Kombination verschiedener Methoden konnte das Team unerwartete Mechanismen im Stoffwechsel dieser Bakterien aufdecken. Zur Überraschung der Forscher stellte sich heraus, dass die Mikrobe mehrere Enzyme produziert, die sie unter den gegebenen Wachstumsbedingungen nicht nutzen kann – was auf den ersten Blick wie ein überflüssiger Energieaufwand erscheint.

„Normalerweise erkennen die Bakterienzellen, ob Sauerstoff in ihrer Umgebung vorhanden ist, und aktivieren dann über spezifische Mechanismen nur den nährstoffspezifischen Stoffwechselweg mit den entsprechenden Enzymen“, erklärt Rabus. Aber bei einigen Substraten produzierte die Mikrobe alle Enzyme für aerobe und anaerobe Abbauwege unabhängig vom Sauerstoffgehalt – obwohl einige dieser Enzyme völlig überflüssig waren.

Rabus vermutet, dass diese scheinbare Verschwendung in Wirklichkeit eine Überlebensstrategie in einem instabilen Umfeld ist. „Selbst wenn der Sauerstoffgehalt plötzlich schwankt – was in natürlichen Umgebungen oft der Fall ist – bleibt Aromatoleum flexibel und kann diesen Nährstoff verwerten und bei Bedarf Energie produzieren“, erklärt der Mikrobiologe und fügt hinzu, dass bisher kein anderes Bakterium bekannt ist, das einen solchen nutzt Mechanismus.