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Chemistry of Sponge Microbiomes

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Schwämme im „Halbdunklen“ und deren mikrobielle Verbündeten im Fokus

Bahnbrechende Entdeckungen im Zusammenhang mit wenig erforschten Schwämmen, die in den äußersten, eben noch vom Sonnenlicht erreichten Bereichen leben, könnten den Weg zu einer Fülle neuartiger bioaktiver Verbindungen weisen.

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Lebende Organismen sind eine reiche Quelle natürlicher Produkte, die dem Menschen zugutekommen können. Pharmazeutika, Nutrazeutika und Hautpflegeprodukte gehören zu den vielen Erzeugnissen, die dank Biomolekülen eine immer stärker natürliche und erweiterte Funktionalität aufweisen. Mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen und anhand von Hightech-Genomik-Ansätzen lieferte das Projekt COSMos einen beispiellosen Datensatz, der auf die potenzielle Eignung selten untersuchter mesophotischer Schwämme und der in ihnen lebenden Mikroben als Naturprodukt hinweist.

Tiefer Tauchgang in die unerforschte mesophotische Zone

Laut Michelle Schorn, Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiatin im Labor von Detmer Sipkema an der Universität Wageningen, „sind Schwämme für ihre unglaubliche chemische Vielfalt und ihr reichhaltiges Mikrobiom (die in den Schwämmen lebenden Mikroben) bekannt, die durchweg von allen wirbellosen Meerestieren die meisten neuartigen Naturstoffe liefern.“ Schwämme werden hauptsächlich auf Sporttauchgängen in flachen Gewässern gesammelt. Die mesophotische, d. h. die untere Zone der durchlichteten Schicht, 30 bis 150 m unter der Wasseroberfläche, ist schwer zugänglich und weitgehend unerforscht. Ein eher zufälliges Angebot von Adriaan Schrier von Substation Curaçao, an einer Probenahmeexpedition zur Erkundung der mesophotischen Zone teilzunehmen, ergab etwa 60 wertvolle Proben mesophotischer Schwämme.

Metagenom-assemblierte Genome und biosynthetische Gencluster

Schorn nutzte die Metagenom-Sequenzierung, ein kulturunabhängiges Genomanalyseverfahren zur Analyse kombinierter Genome von in einer Gemeinschaft koexistierenden Organismen, bei dem Metagenom-assemblierte Genome erstellt werden. Anhand metagenomischer Sequenzierung richtete sie ihre „Linse“ auf biosynthetische Gencluster, jene physisch geclusterten Gruppen von Genen, die Enzyme kodieren, die in gemeinsamer Arbeit Moleküle oder chemische Strukturen herstellen, die für die meisten Naturprodukte verantwortlich sind. „Weniger als 1 % unserer biosynthetischen Gencluster entsprachen den bereits bekannten, was die Neuartigkeit unseres Datensatzes veranschaulicht“, erklärt Schorn. Sipkema ergänzt: „Es war auffallend erkennbar, dass sich fast alle in 150 m Tiefe lebenden Schwammarten von denen unterscheiden, die wir im flachen Wasser darüber beobachten können.“ COSMos analysierte die Metagenome von fünf mesophotischen Schwämmen, ihre mikrobiellen Symbionten sowie ihr Potenzial für die Biosynthese von Naturstoffen. Seit dem Projektende wurden dreizehn weitere Schwämme sequenziert. Aus den ursprünglichen fünf Metagenomen wurden 435 Metagenom-assemblierte Genome zusammengestellt, die 435 Genome nicht kultivierter Mikroben repräsentieren. COSMos hat der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf diese Weise einen völlig neuen Einblick in die genomischen Kapazitäten der Symbionten mesophotischer Schwämme verschafft. Zusätzlich zu den genomischen Daten, die veröffentlicht werden, wurden tausende biosynthetische Gencluster identifiziert.

Vom Genom zur Molekülproduktion: heterologe Expression

„Erstmalig waren wir in der Lage, die mikrobiellen Gemeinschaften dieser von der Forschung vernachlässigten mesophotischen Schwämme zu untersuchen sowie neue Arten biosynthetischer Gencluster zu entdecken. Wir bringen die Gene mit ihren molekularen Produkten in Verbindung und beginnen so, die chemische Sprache der Schwammsymbionten zu entschlüsseln“, fügt Schorn hinzu. Schorn konzentriert sich nun auf die heterologe Expression bekannter und neu ermittelter biosynthetischer Cluster. Bisher wurde nur selten mit Erfolg eine heterologe Expression aus nicht kultivierten Bakterien durchgeführt. Mit ihr würde die Ernte riesiger Mengen von Tieren überflüssig und eine großmaßstäbliche nachhaltige Produktion realisierbar werden. „Wenn wir auch ein Molekül mit therapeutischen Anwendungen entdecken, wird dies die Notwendigkeit unterstreichen, unerforschte Bereiche des Ozeans wie zum Beispiel die mesophotische Zone zu bewahren“, fügt Schorn hinzu. Schorn und Sipkema setzen mit ihrer Enthüllung der genomischen Kapazitäten, die sich in rätselhaften mesophotischen Schwämmen verbergen, neue Maßstäbe für die Erforschung und Anwendung natürlicher Meeresprodukte.

Schlüsselbegriffe

COSMos, Schwamm, mesophotisch, biosynthetische Gencluster, Metagenom, heterologe Expression, MAGs, Metagenom-assemblierte Genome, Mikrobiom

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