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10.02.2020

Symbiotische Meeresbakterien vor der Linse

Mithilfe eines neuen Bildgebungsverfahrens konnten Bremer Mikrobiologen erstmals bakterielle Untermieter von Tiefseemuscheln identifizieren und messen, welche Metabolite sie umsetzen.

Bathymodiolus-Muscheln und andere Bewohner der Hydrothermalquellen am Mittelatlantischen Rücken vor der Küste der Azoren.
Bathymodiolus-Muscheln und andere Bewohner der Hydrothermalquellen am Mittelatlantischen Rücken vor der Küste der Azoren.
Quelle: 
MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen

Praktisch alle Tiere und Pflanzen, ob an Land oder im Wasser, leben in Symbiose mit Mikroorganismen. Vor allem in extremen Lebensräumen wie in der Tiefsee ist diese symbiotische Gemeinschaft überlebenswichtig. Bathymodiolus-Muscheln, die an den heißen, mineralreichen Wassern von Schwarzen Rauchern am Meeresgrund leben, beherbergen sogar mehr als ein Dutzend Bakterienarten, wie Forscher vom Max-Planck-Institut (MPI) für Marine Mikrobiologie erst kürzlich herausfanden. Nun haben die Bremer Mikrobiologen die bakteriellen Untermieter dieser Tiefseemuscheln näher untersuchen können.

Bakterien in dieser Region zu erforschen ist oft schwer. Ein Team um Benedikt Geier und Manuel Liebeke hat eine neue Methode entwickelt, mit der nicht nur einzelne Bakterien genau bestimmt werden können, sondern auch, welche Metabolite in der Zelle vorhanden sind. Metabolite sind Stoffwechselprodukte von Organismen wie Eiweiße, Zucker und Fette. Sie geben Auskunft, welche Stoffe die Bakterien wozu genau nutzen und wie diese das Zusammenleben mit den Muscheln beeinflussen.

Schnappschuss im Schockzustand

„Wir nutzen für unsere Analysen schockgefrorenes Muschelgewebe, das wir in gefrorenem Zustand hauchdünn schneiden“, erklärt Geier. „Von diesen Schnitten machen wir mit einer besonderen Massenspektrometrie-Technik, dem MALDI-MS-Imaging, einen Schnappschuss der chemischen Verbindungen der Zellen. Wenn wir diesen Schnappschuss dann im Detail analysieren, können wir sehr viele verschiedene Metabolite auf kleinstem Raum erkennen.“

Die Metabolitenverteilungen als Heatmap (oberer linker Teil der Abbildung); Die untere rechte Seite des Bildes zeigt mikroskopische Details der Mikroben (in Rot und Grün) und der Muschelkerne.
Quelle: 
Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie / Benedikt Geier

Die Metabolitenverteilungen als Heatmap (oberer linker Teil der Abbildung); die untere rechte Seite des Bildes zeigt mikroskopische Details der Mikroben (in Rot und Grün) und der Muschelkerne (Cyan).

Hunderte Metabolite auf kleinstem Raum

Mithilfe der Bildgebungstechnik konnte das Team Hunderte von Stoffwechselprodukten auf einer Fläche kleiner als ein Quadratmillimeter ausmachen. Einen hochauflösenden Einblick in die Arbeit der Metabolite verschaffte ihnen zudem ein neuer MS-Imaging-Prototyp an der Justus-Liebig-Universität Gießen. „Wir machen quasi einen Schnappschuss der Bakterien bei der Arbeit – so, wie sie in ihrer natürlichen Umwelt, in diesem Fall innerhalb einer tierischen Zelle, aktiv sind“, so Manuel Liebeke. „Und das können wir in beeindruckender Auflösung von wenigen Mikrometern, etwa zehnmal dünner als ein menschliches Haar.“



Eine weitere Methode, die sogenannte Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung oder kurz FISH, lieferte den Forschern letztlich die Antwort auf die Frage, welche bakteriellen Untermieter welche Stoffwechselprodukte genau bilden. „Durch die Kombination mit FISH können wir unsere MALDI-MS-Bilder nun sinnvoll erklären und den Bakterien im Muschelgewebe zuordnen“, so Geier. Durch die Kombination mehrerer Verfahren haben die Forscher nun ein genaues Bild davon, wie die Bakterien als symbiotische Untermieter in Tiefseemuscheln wohnen und überleben.

Preisgekrönte Methode

Für diese Methode wurde Benedikt Geier mit dem MSI Award ausgezeichnet. Der Preis wird alljährlich für herausragende wissenschaftliche Arbeiten mithilfe bildgebender Verfahren mit einem Massenspektrometer verliehen. „Auch, dass unsere Methode an Proben direkt aus der Umwelt und nicht nur solchen aus dem Labor funktioniert, zeigt ihr großes Potenzial“, so Geier weiter. 


bb

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