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Determination of bacterial vesicles interactions in the most abundant marine cyanobacteria and its potential applications

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Blaualgen mithilfe von Vesikeln an Umweltstress anpassen

Um genauer vorhersagen zu können, wie der Klimawandel Ökosysteme beeinflusst, sind noch einige grundlegende biologische Prozesse zu klären. VESYNECH untersuchte die Reaktion von Cyanobakterien (Blaualgen) auf Umweltstress und damit deren möglichen Beitrag zum Kohlenstoffkreislauf.

Klimawandel und Umwelt

Einige Cyanobakterien wie Prochlorococcus und Synechococcus können dünnwandige Membransäcke, sogenannte Vesikel, produzieren und freisetzen. Da beide einen wesentlichen Beitrag zur Fixierung von Kohlenstoff auf der Erde leisten, könnten diese Vesikel eine wichtige Rolle in Kohlenstoffkreisläufen spielen. Bisherige Studien untersuchten diese Freisetzung jedoch meist nur an Bakterienkulturen. Schwerpunkt des über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierten Projekts VESYNECH waren die Ökologie und Funktion von Vesikeln, die Synechococcus, eine der häufigsten Blaualgen in den Weltmeeren, produziert. „Unsere Erkenntnisse waren erstaunlich, vor allem zum Effekt von Licht und Stickstoff- bzw. Phosphormangel auf die Freisetzung und Zusammensetzung von Vesikeln“, erklärt Projektleiter José Manuel García Fernández von der Universität Córdoba.

Charakterisierung der Vesikel

Vesikel in Bakterien haben offenbar spezifische Funktionen wie Förderung des Wachstums von „Helfer“-Bakterien, Reduzierung von Virenangriffen auf Zellen oder Gentransfer zwischen Bakterien. Um zu verstehen, warum und wie diese Vesikel produziert werden, wollte man sie in Synechococcus-Kulturen charakterisieren, nachdem diese verschiedensten Stressfaktoren ausgesetzt wurden. Hierzu wurden die Kulturen mehrere Tage unter Stressbedingungen kultiviert (grelles Licht sowie Stickstoff- und Phosphormangel). Mittels Durchflusszytometrie wurde in Proben die Zellzahl, mittels Nanopartikel-Tracking die Vesikelkonzentration und mittels Extinktion die Wachstumskurve bestimmt. Vor dem Absterben der Kulturen wurden die Vesikel isoliert, aufkonzentriert und im Transmissionselektronenmikroskop untersucht, um sicherzugehen, dass es sich tatsächlich um Vesikel und nicht um andere Nanopartikel wie Viren handelte. Schließlich wurden Proteinkonzentration und Zusammensetzung bestimmt. Die Arbeitsgruppe beobachtete, dass Lichtschock zur starken Stimulation der Vesikelbildung beiträgt und die Proteinkonzentration in Vesikeln verdoppelt, die teilweise an Stressreaktionen und Photosynthese beteiligt sind. „Die Ergebnisse belegen, dass Membranvesikel zum bakteriellen Überleben in Stresssituationen beitragen“, erklärt García Fernández. Zudem wurde demonstriert, dass Phosphormangel die Knospung von Vesikeln verstärkt, Stickstoffmangel hingegen die Bildung von und Proteinkonzentration in Vesikeln verringert. „Dies ist sinnvoll, da Stickstoff der wichtigste und für das Wachstum von Cyanobakterien entscheidende Nährstoff ist. Da Synechococcus in nährstoffarmen offenen Ozeanen zudem reichlich vorhanden ist, wäre die Freisetzung stickstoffreicher Vesikel Verschwendung“, fügt die Forscherin María del Carmen Muñoz Marín hinzu.

Lebensfähige Phytoplankton-Gemeinschaften

VESYNECH lieferte neues Wissen zum Stoffwechsel von Phytoplankton-Gemeinschaften und dem Einfluss klimawandelbedingter Nährstoff- und Lichtstressoren auf marines Phytoplankton. Die Ergebnisse von VESYNECH könnten auch dazu beitragen, bisherige Produktionsmethoden sowie Verbrauch, Recycling und Abfallentsorgung radikal zu verändern. „Cyanobakterien könnten als neue Nahrungsquelle oder sogar neuer Energieträger erschlossen werden, da Synechococcus einer der am besten beschriebenen Organismen für die künftige Biokraftstoffproduktion ist. Synechococcus könnte sich auch für die Biosynthese von Polymeren (Kunststoffen) aus Polyhydroxyalkanoat als Alternative zu herkömmlichem Kunststoff eignen, das bekanntermaßen in hohem Maße die Weltmeere verschmutzt“, merkt García Fernández an. Schwerpunkt des neuen Projekts, das Forschungsleiterin Muñoz Marín nun an der Universität Córdoba durchführt, ist die mögliche Übertragung von genetischem Material zwischen Organismen. Um dies zu testen, arbeitet sie zusammen mit den Forschern Ignacio Luque und Rocío López Igual vom Institut für Pflanzenbiochemie und Photosynthese in Sevilla, Spanien, an drei Konstrukten, die das grün fluoreszierende Protein GFP mit einem Signalpeptid kombinieren, sodass sich das Protein im Periplasma anreichert – einem Membranbestandteil von Cyanobakterien. „Dies wird zeigen, ob Vesikel am horizontalen Gentransfer beteiligt sind, d. h. der Übertragung von Genen auf andere Organismen, aber vor allem auch, wie die Vesikelbildung auf genetischer Ebene funktioniert“, sagt Muñoz Marín.

Schlüsselbegriffe

VESYNECH, Stickstoff, Cyanobakterien, Zelle, Kohlenstoffkreislauf, Membran, Klimawandel, Gentransfer, Protein, Synechococcus, Blaualgen, Vesikel, Phosphor

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