Mikrobielle Diversität und Funktion in Schwamm-Symbiosen

Schwämme (Porifera), die eine der ältesten, noch lebenden tierischen Phyla darstellen, sind mehrzellige Organismen mit verschiedenen differenzierten Zelltypen. Viele Schwammarten beherbergen in ihren Geweben enorm dichte und vielfältige mikrobielle Gemeinschaften. Mikrobielle Vertreter von mehreren Dutzend bakteriellen Phyla, darunter viele Kandidatenlinien, zwei archaische Linien und eine enorme virale Vielfalt wurden in Verbindung mit diesen Tieren identifiziert. Tatsächlich kann die mikrobielle Biomasse bis zu einem Drittel der gesamten Schwamm-Biomasse ausmachen und befindet sich extrazellulär in der extrazellulären Matrix des Schwammes. Da sich Schwamm-Symbionten bis heute gegen die Kultivierung gewehrt haben, sind meta-omische Ansätze in Kombination mit hochauflösender Mikroskopie (z.B. FISH-IHC-CLEM) entscheidend, um die Funktionen der kollektiven mikrobiellen Gemeinschaft sowie einzelner Symbiontengruppen aufzuzeigen.

Symbiotische Heterotrophie

Unsere wichtigste Erkenntnis ist, dass viele der funktionellen Rollen, die ursprünglich dem Schwamm zugeschrieben wurden, tatsächlich durch die mit ihm assoziierten Mikroben vermittelt werden. Zu diesen Funktionen gehören komplexe und vielfältige heterotrophe Bahnen, die es den Symbionten ermöglichen, die Nährstoffe zu nutzen, die entweder vom Wirt selbst produziert oder aus dem umgebenden Meerwasser gefiltert werden (Dr. Kristina Bayer), Bahnen, die zur chemischen Verteidigung des Tieres beitragen, und molekulare Signaturen, die die Persistenz der Symbionten im Tier ermöglichen. Während viele Symbiosen für ihre Ernährungsgrundlage auf der Grundlage phototropher oder chemoautotropher Stoffwechsel bekannt sind, haben unsere gemeinsamen Forschungsanstrengungen, einschliesslich der unserer früheren Postdoktorandin Dr. Laura Rix (University of Queensland), marine heterotrophe Symbiosen in den Vordergrund gerückt.

Die Rolle der Phagen im dreigliedrigen Zusammenspiel

Während jüngste Studien eine große Vielfalt in der Virosphäre aufgedeckt haben, besteht die neue Herausforderung darin zu verstehen, wie Phagen die Wirt-Mikroben-Interaktionen modulieren. Wir kombinieren virale Metagenomik mit funktionellen Assays, um das Zusammenspiel zwischen Phagen, bakteriellen Symbionten und marinen Schwämmen zu untersuchen. Obwohl Schwämme massive Wassermengen durch ihre ständig arbeitenden Filterapparate verarbeiten, haben wir kürzlich gezeigt, dass sie artspezifische und sogar individuell einzigartige virale Signaturen beherbergen, die sich von anderen Umgebungen unterscheiden. Wir haben ferner ein Ankyrin-Protein (ANKp) entdeckt, das auf einem Symbiontenphagen kodiert ist und bei heterologer Expression die eukaryotische Immunantwort gegen Bakterien moduliert, wie in Makrophagen-Infektionsassays bestätigt wurde. Wir stellen die Hypothese auf, dass diese Symbiontenphagenproteine die Koexistenz im Multispezies-Wechselspiel zwischen Phagen, mikrobiellen Symbionten und Schwämmen in einer Weise erleichtern, die sich auf andere Wirt-Mikroben-Assoziationen ausdehnen kann. Interessanterweise scheinen diese "Ankyphagen" in anderen Wirts-Mikroben-Assoziationen, einschließlich des Menschen, weit verbreitet zu sein.

Wissenschaftler

Dr. Kristina Bayer, Dr. Beate Slaby, Dr. Martin Jahn (Oxford), Dr. Laura Rix (Queensland), Clara Emery,  Leon Steiner

Veröffentlichungen

Rix L, Ribes M, Coma R, Jahn M, van Oevelen D, de Goeij J, Escrig S, Meibom A, Hentschel U (2020) Heterotrophy in the earliest gut: A single-cell view of heterotrophic carbon and nitrogen assimilation in sponge-microbe symbioses. ISME J: doi.org/10.1038/s41396-020-0706-3

Jahn MT, Arkhipova K, Markert SM, Stigloher C, Lachnit T, Pita L, Kupczok A, Ribes M, Stengel ST, Rosenstiel P, Dutilh BE, Hentschel U  (2019) A phage protein aids bacterial symbionts in eukaryote immune evasion.Cell Host & Microbe 26(4):542-550.e5. doi: 10.1016/j.chom.2019.08.019.

Batani G, Bayer K, Böge J, Hentschel U, Thomas T (2019) Fluorescence in situ hybridization (FISH) and cell sorting of living bacteria.Sci Rep 9(1):18618. doi: 10.1038/s41598-019-55049-2.

Bayer K, Jahn MT, Slaby BM, Moitinho-Silva L, Hentschel U (2018) Marine sponges as Chloroflexi Hot Spots: Genomic insights and high resolution visualization of an abundant and diverse symbiotic clade. mSystems: doi.org/10.1128/mSystems.00150-18

Slaby BM, Hackl T, Horn H, Bayer K, Hentschel U (2017) Metagenomic binning of a marine sponge microbiome reveals unity in defense but metabolic specialization. ISME J. 11(11): 2465-2478. doi: 10.1038/ismej.2017.101.

Projektförderung

SFB 1182/2: Origin and Function of Metaorganisms

http://www.metaorganism-research.com/