Mikrobielle biologische und chemische Vielfalt

Marine Mikroben sind eine wichtige Ressource für bioaktive Verbindungen und Biokatalysatoren mit enormen Möglichkeiten, z.B. für Anwendungen im Gesundheitsbereich und in der Biotechnologie. Im ökologischen Kontext haben bioaktive Verbindungen Funktionen in der zellulären Kommunikation, bei der Signalübertragung und bei der Abwehr von Räubern und Krankheitserregern. Daher können sie eine bedeutende Rolle bei der Gestaltung von Interaktionen und der Strukturbildung mariner Gemeinschaften spielen. Biokatalysatoren hingegen helfen Mikroben, Zugang zu sonst verborgenen Nahrungsquellen zu erhalten oder chemische Reaktionen zu katalysieren, die unter den gegebenen Umweltbedingungen (hoher Druck in der Tiefsee, niedrige Temperaturen, hohe Salzkonzentrationen usw.) normalerweise ungünstig verlaufen. Die Schatzkammer der marinen mikrobiellen Biodiversität ist weitgehend unerforscht (Dr. Jutta Wiese), könnte uns aber bei der Bewältigung drängender gesellschaftlicher Herausforderungen wie der extensiven Abfallproduktion und der Verschmutzung von Kunststoffen helfen. Gegenwärtige und zukünftige Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die marine mikrobielle und chemische Biodiversität, um ihre Rolle und Funktion in der Meeresumwelt zu untersuchen. Darüber hinaus streben wir den Transfer dieses Wissens in biotechnologische Anwendungen für das Gesundheitswesen, die Lebensmittelindustrie und die Abfallwirtschaft an.

Mikrobieller Kunststoffabbau

Nano- und Mikroplastikpartikel sammeln sich ständig in der Meeresumwelt an. Im Great Pacific Garbage Patch haben sich bisher mehr als 1,8 Billionen Plastikstücke mit einem geschätzten Gewicht von 80.000 Tonnen angesammelt, und ein Ende ist nicht in Sicht. Darüber hinaus sind künstlich hergestellte Polymere nun in unserer Nahrungskette zu finden, und es ist nicht klar, ob die Aufnahme mit der täglichen Nahrung schädlich sein kann. Daher ist die Entfernung von (Mikro-)Kunststoffen aus der Meeresumwelt und die Verringerung der weiteren Verschmutzung durch Mikrokunststoffe eine große und sehr dringende Herausforderung für unsere Gesellschaft. Während die Entfernung keine triviale Aufgabe ist, bietet sie gleichzeitig die Chance für die Entwicklung neuartiger, biobasierter Technologien und innovativer Bioprozesse. Unsere Hauptziele (Erik Borchert) innerhalb des PLASTISEA-Konsortiums sind die Bereitstellung neuartiger Enzyme und Mikroorganismen für die Entwicklung origineller und innovativer Strategien zur Entfernung synthetischer Polymere (Mikro- und Nanopartikel) aus der Meeresumwelt.

Ansammlung mikrobieller Gemeinschaften

Die Umweltbiotechnologie hat sich traditionell auf Monokulturen der vielversprechendsten Mikroorganismen konzentriert. Dies unterscheidet sich von der bakteriellen Lebensweise in der natürlichen Umwelt, wo Bakterien in der Regel als taxonomisch und metabolisch vielfältige Gemeinschaften auftreten. Im Vergleich zu Monokulturen bieten diese vielfältigen Gemeinschaften mehrere Vorteile, wie z.B. eine verbesserte Funktion und Stabilität des Ökosystems oder die Entstehung neuer biosynthetischer Funktionen. Solche mikrobiellen Gemeinschaften können von oben nach unten durch Manipulation einer selbst zusammengesetzten, natürlich vorkommenden Gemeinschaft oder von unten nach oben durch Zusammensetzen einer synthetischen mikrobiellen Gemeinschaft aus vorkommenden oder manipulierten Mikroorganismen gestaltet werden. Wir (Dr. Peter Deines) sehen ein enormes Potenzial in der Anwendung von Prinzipien aus der Evolutionstechnik und der ökologischen Systembiologie auf die Umweltbiotechnologie, da dies eine Selektion auf eine erhöhte biologische Funktion, zum Beispiel beim biologischen Abbau, auf Gemeinschaftsebene ermöglicht.

Pressemitteilung: nachrichten.idw-online.de/2020/07/21/microbial-carrying-capacity-is-decisive-for-health-and-disease/

Wissenschaftler

Dr. Jutta Wiese, Dr. Erik Borchert, Dr. Peter Deines, Ashley Coons, Vincent Richter

Ausgewählte Publikationen

Borchert E, Garcia-Moyano A, Sanchez-Carrillo S, Dahlgren TG, Slaby BM, Bjerga GEK, Ferrer M, Franzenburg S, Hentschel U (2020) Deciphering a marine bone degrading microbiome reveals a complex community effort. bioRxiv, 2020.05.13.093005.

Borchert E, Jackson SA, O'Gara F, Dobson AD (2016) Diversity of natural product biosynthetic genes in the microbiome of the deep-sea sponges Inflatella pellicula, Poecillastra compressa, and Stelletta normani. Front. Microbiol., 7:1027.

Borchert E, Knobloch S, Dwyer E, O’Flynn S, Jackson SA, Jóhannsson R, Marteinsson VT, O’Gara F, Dobson ADW (2017) Biotechnological potential of cold adapted Pseudoalteromonas spp. isolated from ‘deep sea’ sponges. Mar. Drugs, 15, 184.

Choo S, Wiese J, Borchert E, Saha M, Künzel S, Weinberger F, Hentschel U (2020) Polaribacter nordstrandensis sp. nov., isolated from the biofilm of a stone from the North Sea. IJSEM, 70, 4305-4314.

Deines P, Hammerschmidt K, Bosch TCG (2020) Exploring the niche concept in a simple metaorganism. bioRxiv, 814798, Front. Microbiol., 11:e00807-20.

Deines P, Hammerschmidt K, Bosch TCB (2020) Microbial species coexistence depends on the host environment. mBio 11:e00807-20.

Lachnit T, Bosch TCG, Deines P (2019) Exposure of the host-associated microbiome to nutrient-rich conditions may lead to dysbiosis and disease development - an evolutionary perspective. mBio 10:e00355-19.

Sottorff I, Künzel S, Wiese J, Lipfert M, Preusske N, Sönnichsen FD, Imhoff JF (2019) Antitumoral anthraquinones from an Easter Island sea anemone: animal or bacterial origin? Mar. Drugs, 17, 154.

Villalobos AV, Wiese J, Imhoff JF, Dorador C, Keller A, Hentschel U (2019) Systematic affiliation and genome analysis of Subtercola vilae DB165T with particular emphasis on cold adaptation of an isolate from a high-altitude cold volcano lake. Microorganisms, 7, 107.

Projektförderung

  • BioProMare: PLASTISEA (BMBF)

Harvesting the Marine Plastisphere for Novel and Innovative Biotechnology Concepts

https://www.researchgate.net/project/PLASTISEA-Harvesting-the-marine-Plastisphere-for-novel-cleaning-concepts

  • ERA-NET Marine Biotechnology: ProBone (BMBF)

New tools for prospecting the marine bone-degrading microbiome for new enzymes

http://www.marinebiotech.eu/ProBone