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Wenn Mikroben mit ihrem Wirt sprechen…
Meeresschwämme zählen zu den ältesten Tierstämmen der Erde und leben seit Hunderten Millionen Jahren in allen Weltmeeren. Sie pumpen kontinuierlich große Mengen Wasser durch ihren Körper, um Nahrungspartikel herauszufiltern – und beherbergen dabei eine enorme Menge an Mikroben: Diese können bis zu 35 Prozent des Gewichts eines Schwamms ausmachen.
Eine neue Studie zeigt nun, dass einer dieser Untermieter deutlich vielseitiger frisst, als die Wissenschaft bisher annahm: Zu den wichtigsten Partnern vieler Schwämme zählen Ammoniak-oxidierende Archaeen. Sie übernehmen im Schwammgewebe eine Art Müllabfuhr-Funktion, indem sie das für die Tiere giftige Stoffwechselprodukt Ammoniak entfernen. Jahrzehntelang ging die Forschung davon aus, dass diese Mikroben ausschließlich von anorganischen Verbindungen wie Ammoniak leben und dabei CO2 fixieren – eine sehr eingeschränkte, spezialisierte Ernährungsweise.
Ein Team um Bettina Glasl und Katharina Kitzinger vom Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft (CeMESS) der Universität Wien hat dieses Bild nun widerlegt. Am Beispiel des tropischen Elefantenohrschwamms Ianthella basta und seines Symbionten Nitrosospongia ianthellae konnte das Team gemeinsam mit Partnern des Australian Institute of Marine Science zeigen: Die Archaeen nehmen zusätzlich auch Aminosäuren wie Valin, Leucin und Isoleucin auf – und können diese sogar selbst herstellen.
Sichtbar gemacht auf Ebene einzelner Zellen
Möglich wurde der Nachweis durch eine Kombination hochmoderner chemischer und mikroskopischer Bildgebungsverfahren, darunter die sogenannte NanoSIMS-Technik. Damit ließ sich die Ernährung einzelner Symbiontenzellen direkt innerhalb ihres Schwammwirts verfolgen. „Die große Herausforderung bestand darin, nachzuweisen, welche spezifischen Zellen innerhalb des Schwamms die Aminosäuren aufnehmen“, erklärt Kitzinger, Co-Leitautorin der Studie und Spezialistin für Einzelzellanalyse. „Wir konnten sehen, wie die markierten Aminosäuren in einzelne Symbiontenzellen eingebaut wurden. So konnten wir die Identität einer Zelle direkt mit ihrer Funktion verknüpfen, anstatt uns ausschließlich auf Vorhersagen aus dem Genom zu stützen.“
Eine mögliche Sprache zwischen Mikrobe und Wirt
Besonders interessant: Weil die Archaeen die entsprechenden Aminosäuren nicht nur aufnehmen, sondern auch selbst produzieren können, könnten sie deren Verfügbarkeit im Schwammgewebe gezielt beeinflussen. Da solche verzweigtkettigen Aminosäuren häufig auch als Signalmoleküle dienen, vermutet das Forschungsteam eine mögliche Kommunikationsfunktion zwischen Mikrobe und tierischem Wirt. „Dies könnte eine Form der Kommunikation zwischen Mikroben und tierischen Wirten sein, deren Wurzeln tief in der Evolution liegen“, so Glasl in einer Aussendung der Universität Wien.
Nitrosospongia ianthellae ist dabei auch aus einem weiteren Grund ein besonderer Fall: Der Organismus ist im Elefantenohrschwamm alleine für die gesamte Ammoniak-Oxidation zuständig, während der Schwamm selbst – anders als viele verwandte Arten – keine zusätzlichen nitritoxidierenden Mikroben beherbergt. Das macht das System besonders gut geeignet, um die Stoffwechselvorgänge einzelner Symbiontenzellen isoliert zu untersuchen.
Die Ergebnisse rücken damit eine der ältesten bekannten Tier-Mikroben-Symbiosen der Erde in neues Licht: Was lange als reiner Entgiftungs-Mechanismus galt, könnte tatsächlich ein deutlich komplexeres biochemisches Wechselspiel sein – mit möglichen Signalfunktionen, die bislang schlicht übersehen wurden.
Weitere Informationen:
science.ORF.at
University of Vienna
phys.org
Science Advances