Verfälschte Biodiversität?

Riesenbakterium enthält Erbgut für eine ganze Bevölkerung

Achromatium oxaliferum ist das größte (bekannte) Süßwasserbakterium der Welt und unter anderem im brandenburgischen Stechlinsee zu finden. Es ist 30.000 Mal größer als „normale“ im Wasser lebende Bakterien und dank seiner Kalkeinlagerungen mit dem bloßen Auge erkennbar. Es ist bekannt – zumindest unter Bakterienfans –, dass Schwefelbakterien wie Achromatium außerordentlich groß sein und mehrere Genomkopien beherbergen können. Dass eine einzige Bakterienzelle aber hunderte von unterschiedlichen Genomen mit sich herumträgt, ist neu – auch für Bakterienkenner.

Achromatium oxaliferum mit großen Calciumkristallen, Schwefeltröpfchen und grün fluoreszierenden DNA-Spots. (Bild: Heribert Cypionka)

Obwohl Achromatium oxaliferum der Wissenschaft seit über einem Jahrhundert bekannt ist, sind sein Aufbau und seine genetischen Merkmale weitgehend unbekannt. ForscherInnen des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) in Berlin, der Carl von Ossietzky Universität in Oldenburg und der University of Oxford haben nun herausgefunden, dass einzelne Zellen von Achromatium bis zu 300 DNA-Abschnitte enthalten, jeweils mit einer unbestimmten Anzahl von Chromosomen. Die Metagenomanalysen und Genomsequenzierungen einzelner Zellen zeigen, dass es sich dabei nicht um Kopien handelt – die vielen Chromosomen einer Zelle unterscheiden sich voneinander.

Neue Zeiten für BakterienforscherInnen
Bisher werden Umweltproben – also beispielsweise Wasser- oder Bodenproben – mittels der DNA/RNA-Sequenzen analysiert, die in einer Probe vorkommen. Bei diesem Verfahren geben die verschiedenen Sequenzen Aufschluss über die vorhandenen Bakterienarten. Geht man davon aus, dass ein polyploides Bakterium mehrere identische Genome besitzt, findet man in einer Wasserprobe genau so viele verschiedene Bakterienarten wie man verschiedene Genome gefunden hat. Enthält die Probe aber auch Achromatium oder ähnliche Bakterien, kann die bisherige Verfahrensweise zu einer Überschätzung der Diversität führen. Wo man einst 1000 verschiedene Bakterienarten vermutete, sind in Wirklichkeit vielleicht nur noch 100 verschiedene Arten anzutreffen.

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Noch bis vor wenigen Jahren wurde angenommen, dass einzellige Organismen mit mehreren Genomkopien die Ausnahme sind. Mittlerweile werden solche Organismen immer öfter „entdeckt“. Die neuen Erkenntnisse über Achromatium oxaliferum könnten also auch Anstoß geben, Zellen mit mehreren (hunderten) Genomkopien zukünftig genauer anzuschauen, um herauszufinden, ob es sich tatsächlich um identische Kopien handelt.

Same same but different
Wenn sich eine Achromatium-Zelle teilt, werden die Genome wahrscheinlich „zufällig“ auf die Tochterzellen verteilt. Diese zufällige Teilung müsste eigentlich dazu führen, dass sich die neuen Zellen immer unähnlicher werden. Wie aber schafft es Achromatium trotzdem es selbst zu bleiben? Ein starker Umweltdruck führt zum Erhalt der Funktionalität und sichert damit das „Überleben“ von Achromatium: Mutter- und Tochterzellen bleiben die gleichen Organismen. (Mehr dazu im Blogbeitrag der WissenschaftlerInnen bei Nature Microbiology)

Publikation:
Danny Ionescu, Mina Bizic-Ionescu, Nicola De Maio, Heribert Cypionka & Hans-Peter Grossart (2017): Community-like genome in single cells of the sulfur bacterium Achromatium oxaliferum, Nature Communications 8, Article number: 455 (2017), doi:10.1038/s41467-017-00342-9. Link zur Studie: http://rdcu.be/vCoK

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