Ein genetischer Globetrotter schützt Meeresbakterien vor Umweltverschmutzung
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Privatdozent Dr. Jörn Petersen vom Leibniz-Institut DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH und dem Karlsruhe Institute of Technology (KIT) haben ein einzigartiges Plasmid, pLA6_12, identifiziert, das mit einhundertprozentiger Sequenzidentität in verschiedenen Arten der Bakteriengruppe Roseobacter vorkommt. Erste Untersuchungen zeigen, dass das Plasmid die Toleranz der marinen Bakterien gegenüber Umweltverschmutzungen, in diesem Fall gegen das hochgiftige und krebsauslösende Chromat (CrO42-), um das Zwanzigfache erhöht und somit einen wichtigen evolutionären Vorteil bietet. Ihre Ergebnisse publizierten die Forscher in dem renommierten Fachmagazin Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Horizontaler Gentransfer durch Plasmide
Plasmide, ringförmige, doppelsträngige DNA-Moleküle, die unabhängig vom Bakterienchromosom in der Bakterienzelle vorkommen, werden von Bakterien unter anderem für den horizontalen Gentransfer genutzt. Dabei werden DNA-Informationen von einer Bakterienzelle an die andere mittels eines Injektionsmechanismus weitergegeben. Eine große Rolle spielt dieser Austausch von genetischen Informationen zum Beispiel bei der Antibiotikaresistenz. Während jedoch über die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen viele Details bekannt sind, ist der natürlich vorkommende Plasmidtransfer noch weitestgehend unerforscht. „Die hier entdeckte hundertprozentige Sequenzidentität des Plasmids, das wir in Isolaten unterschiedlicher geographischer Herkunft und verschiedener Genera isoliert haben, ist bisher einzigartig“, fasst PD Dr. Jörn Petersen die Ergebnisse zusammen.
Ocean´s Thirteen – Ein Proteobakterium mit 13 Replikons
Die komplette Erbgut-Entschlüsselung des neu beschriebenen Bakteriums Marinibacterium anthonyi La 6 führte zu einer weiteren verblüffenden Beobachtung. Mit einem Chromosom und zwölf Plasmiden ist der Stamm La 6 der Rekordhalter unter den Proteobakterien, wobei seine Genomorganisation ähnlich komplex ist wie die der Pflanzen und Tiere. Mit 6,8 Millionen Bausteinen verfügt Marinibacterium zudem über das größte Genom innerhalb der Familie der Rhodobacteraceae. Unter den dutzend Plasmiden entpuppte sich das kleinste Element von gerade einmal 7.053 Basenpaaren, pLA6_12, als das Spannendste. Es enthält ein hochkonserviertes Rückgrat und eine austauschbare Kassette von Genen, die unter bestimmten Umweltbedingungen überlebenswichtig sind.
Einzigartigkeit von pLA6_12
Das neu entdeckte Plasmid pLA6_12 repräsentiert eine bisher nicht bekannte Klasse mobiler genetischer Elemente in der Roseobacter-Gruppe. Mikroorganismen nutzen diese Elemente, um mittels horizontalen Gentransfers schnell und unkompliziert DNA auszutauschen. Analysen der vorliegenden Studie haben gezeigt, dass der jetzt identifizierte Plasmid-Typ nur in der marinen Roseobacter-Gruppe vorkommt. Einzigartig dabei ist, dass das Plasmid pLA6_12 in identischer Form in drei verschiedenen Arten der Rhodobacteraceae vorliegt. Obwohl der Austausch von Plasmiden die Grundlage für die Entstehung multiresistenter Krankenhauskeime ist, wurde der natürliche Transfer eines hundertprozentig identischen Plasmids über die Artgrenze hinaus bisher überraschenderweise noch nie beschrieben. Experimentell wurde in der vorliegenden Publikation nachgewiesen, dass das Plasmid pLA6_12 die Toleranz gegen das hochgiftige Chromat um das Zwanzigfache erhöhen kann. Damit ermöglicht es seinem Träger das Überleben in stark kontaminierten Habitaten.
Unentdeckte Talente: Roseobacter unter der Lupe
Bakterien der Roseobacter-Gruppe gehören zu den Alphaproteobacteria, genauer der Familie der Rhodobacteraceae. Sie repräsentieren eine der häufigsten marinen Bakteriengruppen und leben in allen Weltmeeren. Obwohl sie eine zentrale Rolle im globalen Kohlenstoff- und Schwefelhaushalt spielen, werden sie erst seit einem knappen Jahrzehnt intensiv erforscht. Durch ihren ungewöhnlich vielseitigen Stoffwechsel rücken sie immer mehr in den Fokus der Wissenschaft, da sie großes Potential für biotechnologische Anwendungen besitzen.
Das Leibniz-Institut DSMZ ist Partner im Sonderforschungsbereich „Roseobacter (TRR 51)“, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird und dessen Ziel es ist, ein systembiologisches Verständnis dieser bedeutenden Gruppe von Meeresbakterien zu erlangen. „Durch die Erforschung der Roseobacter-Gruppe haben wir bereits grundlegende Antworten zu evolutionsbiologischen Fragestellungen erhalten. Über neue Erkenntnisse zur genetischen Organisation der Bakterien hinaus erwarten wir, dass auch biotechnologisch nutzbare Ergebnisse erzielt werden“, so PD Dr. Jörn Petersen.
Originalpublikation:
A marine plasmid hitchhiking vast phylogenetic and geographic distances. Petersen J, Vollmers J, Ringel V, Brinkmann H, Ellebrandt-Sperling C, Spröer C, Howat AM, Murrell JC, Kaster AK. Proc Natl Acad Sci U S A. 2019 Sep 23. pii: 201905878. doi: 10.1073/pnas.1905878116. [Epub ahead of print]
Die DSMZ ist eines der größten Bioressourcenzentren weltweit. Die Sammlung umfasst derzeit über 67.000 Kulturen, einschließlich über 35.000 verschiedene Bakterien- und 4000 Pilz-Stämme, 800 menschliche und tierische Zelllinien, 41 Pflanzenzelllinien, 1.400 Pflanzen-Viren und Antiseren und 13.000 verschiedene Typen genomischer Bakterien-DNA.
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