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Genomforschung an Archaeen

Archaeen werden seit mehr als 30 Jahren nicht mehr den Bakterien zugerechnet, sondern bilden jetzt eine eigene Domäne. Ein EU-finanzierte Projekt lieferte nun neue Einblicke in deren Klassifikation und entschlüsselte zahlreiche neue Archaeengenome.
Genomforschung an Archaeen
Archaeen sind Einzeller und wichtiger Bestandteil globaler Ökosysteme. Ihr Lebensraum ist breit gefächert, und in den Ozeanen machen sie bis zu 20 % aller Mikroben aus. Welch wichtige Rolle Archaeen in der Umwelt spielen, wird auch durch die große Abundanz einiger ihrer Vertreter in der menschlichen Darmflora deutlich, wo sie häufig bis zu 10 % aller Prokaryoten ausmachen. Obwohl ihre Lebensweise noch genauer beschrieben werden muss, geht man davon aus, dass einige Archaeen Schlüsselrollen im globalen Stickstoff- und Kohlenstoffkreislauf spielen.

Die Forschung in diesem Bereich hinkt aber noch hinterher, da mit derzeitigen Methoden keine Kulturen von Archaeen angelegt werden können. So führte das EU-finanzierte Projekt DARKCELLS (Single-cell phylogenomic exploration of archaeal dark matter) Genomanalysen an neu entdeckten Archaeenlinien mittels Einzelzell- und metagenomischen Analysen durch. Beprobt wurden Archaeen aus verschiedenen Lebensräumen, um anschließend mit NGS (Sequenzierungsmethoden der nächsten Generation) Genome und Metagenome zu analysieren.

Mit neuesten Techniken aus der Metagenomik (Isolierung genomischer DNA-Fragmente aus einer Organismengemeinschaft) wurde Archaeen-DNA aus mehreren Umweltproben isoliert. Eine spezifische Probe stammte aus einer Hydrothermalquelle im Atlantischen Ozean und lieferte drei nahezu vollständige Modellgenome von Archaeen, die bislang den Tiefsee-Archaeen zugerechnet wurden.

Um die zum Großteil noch nicht kultivierte mikrobielle Vielfalt zu charakterisieren, wurden aus 180 Umweltproben 16S-rRNA-Amplicon-Sequenzen gewonnen und die mikrobielle Diversität, Einzelzellgenomik und Metagenomik der Proben untersucht.

Die Forschergruppe in Uppsala, Schweden, lieferte dabei das überraschende Ergebnis, dass bestimmte Archaeen (Lokiarchaeota) Gene besitzen, die zuvor nur aus Eukaryoten bekannt waren. Die Gene für Actin, GTPasen und einige andere Proteine, die am intrazellulären Transport von Vesikeln beteiligt sind, sind normalerweise typisch für die eukaryotische Zellmaschinerie.

Die phylogenetische Rekonstruktion an konservierten single-copy-Genen zeigte, dass es sich bei diesen Archaeen um die engsten Verwandten von Eukaryoten handelt – was ein Beleg für das so genannte fehlende Glied bei der Herkunft von Eukaryoten sein könnte. Die Ergebnisse wurden im renommierten Fachblatt Nature veröffentlicht und intensiv diskutiert.

Die Projektergebnisse zeigen zudem, dass sich die Kombination aus Einzelzellanalysen und Metagenomik eignet, um bestimmte Genomsequenzen von Hadesarchaea genauer zu untersuchen. Damit konnte die Zahl der Archaeengenome, die in Datenbanken der Forschung zur Verfügung stehen, deutlich erhöht werden. Die Ergebnisse von DARKCELLS werden Forschern und Evolutionsbiologen zugute kommen, die die Physiologie von Archaeen in verschiedenen Umgebungen bzw. die evolutionäre Geschichte der drei Domänen erforschen, in die Lebewesen, eingeteilt werden.

Verwandte Informationen

Fachgebiete

Scientific Research

Schlüsselwörter

Archaeen, DARKCELLS, Lokiarchaeota, Hadesarchaea, Einzelzell-Genomik, Metagenomik
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