Wie Polypen der Mondqualle virale Angriffe auf ihr Mikrobiom abwehren

Bakteriophagen, kurz Phagen, sind Viren, die Bakterien infizieren und diese durch einen Lyseprozess abtöten. Phagen können Bakterien auf oder in einem vielzelligen Wirtsorganismus abtöten, beispielsweise dem Polypen der Mondqualle. Phagen sind auf bestimmte Bakterien spezialisiert und können die bakterielle Zusammensetzung des Mikrobioms eines Polypen erheblich verändern.

Die Wirkung von Phagen auf das Mikrobiom und damit auf die Fitness von Polypen ist noch weitgehend unerforscht. Mikrobiologen der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel um Professorin Ruth Schmitz-Streit haben erstmals in Laborexperimenten gezeigt, dass sich Polypen nach einer Infektion mit Bakteriophagen schnell regenerieren.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Resistenz des natürlichen Mikrobioms der Mondqualle gegenüber Phagen aus der Ostsee sehr ausgeprägt ist, und tragen zu unserem Wissen über die Auswirkungen dieser oft übersehenen, winzigen Schlüsselakteure auf das Mikrobiom und letztendlich auf die Fitness der Mondqualle bei . Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Grenzen in der Mikrobiologie.

Polypen zeigen nach einem Virusbefall eine hohe Resistenz

Im Polypenstadium heften sich die Tiere am Meeresboden fest und fangen mit ihren Tentakeln Nahrung aus dem Wasser. Auf der Oberfläche ihres gestielten Körpers befinden sich zahlreiche Bakterien, die das sogenannte Mikrobiom bilden, das eine wichtige Rolle für die Fitness des Polypen spielt.

Mikrobiologen am Institut für Allgemeine Mikrobiologie haben bereits in früheren Studien gezeigt, wie wichtig das natürliche Mikrobiom für die vegetative Vermehrung der Mondqualle und ihre Abwehr gegen Krankheitserreger ist.

Ihre aktuelle Studie hat untersucht, wie das Mikrobiom eine Infektion mit Bakteriophagen übersteht und welche Folgen dies für die Polypen hat. In Laborexperimenten beobachteten die Forscher, dass die Einführung der Phagen zu einer deutlichen Veränderung der Körperform der Polypen führte, allerdings nur vorübergehend. Nach der Virusabwehr nahmen die Polypen wieder ihre normale Form an.

„Nachdem die Polypen mit bestimmten Bakteriophagen behandelt wurden, verkürzten und runden sich ihre Körper stark und sie verloren ihre Tentakel. Dies sind normalerweise Anzeichen für das Absterben von Polypen. Wir sahen jedoch keinen einzigen toten Polypen; im Gegenteil, alle Polypen regenerierten sich.“ „Diese hohe Belastbarkeit hat uns völlig überrascht“, sagt Melissa Stante, Ph.D. Studentin in der Forschungsgruppe von Ruth Schmitz-Streit und Erstautorin der Studie.

Testreihen an behandelten Polypen zeigen eine schnelle Erholung des Mikrobioms

Eine Erklärung dafür könnte sein, dass sich die Polypen, genauer gesagt ihr Mikrobiom, schnell an die Anwesenheit der Phagen anpassen und so bleibende Schäden verhindern können. Über einen Zeitraum von fünf Tagen beprobten die Wissenschaftler das Mikrobiom der Polypen. Sie fanden heraus, dass die häufigste Art von Bakterien, Mykoplasmen, zunächst zurückging, sich aber nach 24 Stunden erholte.

„In den Polypen von Mondquallen aus der Ostsee wird das Mikrobiom hauptsächlich von einem bestimmten Bakterium dominiert, einem unkultivierten Mycoplasma-Bakterium. Dieser Besiedler wurde durch die Gabe von Phagen deutlich reduziert. Dadurch konnten andere Bakterien vorübergehend die Dominanz erlangen.“

„Die genauen Faktoren, die die anfängliche Reduktion, aber auch die anschließende schnelle Regeneration des Mykoplasmens begünstigen, sind nun Gegenstand weiterer Forschung“, sagt PD Dr. Nancy Weiland-Bräuer. Die Dynamik in der Zusammensetzung des Mikrobioms wurde mit der Verformung der Polypen synchronisiert.

Phagen-Mikrobiom-Wirt-Interaktionen haben kaskadierende Auswirkungen auf das Ökosystem

Das Wissen über die dynamische Interaktion zwischen der Mondqualle, ihrem Mikrobiom und Phagen trägt zum Verständnis mariner Nährstoff- und Elementkreisläufe bei. Gleichzeitig spielt das Verfahren eine wesentliche Rolle für das Verständnis der Ökosystemstabilität und ist ein Baustein für die Erforschung von Krankheiten im Ökosystem Ostsee.

Darüber hinaus werden die Ergebnisse in die Forschungsinitiative „Ocean Health“ einfließen, die sich mit den Auswirkungen von Gesundheit und Krankheiten im Kontext des Klimawandels und möglicher zukünftiger Umweltbedingungen beschäftigt. Phagen können nicht nur Bakterien lysieren, sondern auch genetisches Material mit Wirtsmikroorganismen austauschen und so dem Mikrobiom helfen, sich an veränderte Umweltbedingungen anzupassen.

„Die schnelle Regeneration der Polypenform nach der Phagenbehandlung scheint mit der Wiederherstellung des natürlichen Mikrobioms der Mondqualle zu korrelieren. Dies ist ein starker Hinweis darauf, dass die Resistenz des Mikrobioms der Mondqualle gegenüber Phagen aus der Ostsee sehr ausgeprägt ist.“

„Die Faktoren, die das Mikrobiom so widerstandsfähig machen, können auch wichtige Hinweise darauf liefern, wie das gesunde Mikrobiom beim Menschen geschützt werden kann. Allerdings befinden wir uns noch in einem relativ frühen Stadium der Grundlagenforschung“, sagt Professorin Dr. Ruth Schmitz-Streit, Leiterin der Forschungsgruppe.