| Lizenz: Veröffentlichungsvertrag für Publikationen ohne Print on Demand (79MB) |
- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-300805
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.30080
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 5 Juni 2015 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Reinhard Wirth |
| Tag der Prüfung: | 28 Mai 2014 |
| Institutionen: | Biologie und Vorklinische Medizin > Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie > Lehrstuhl für Mikrobiologie (Archaeenzentrum) > Prof. Dr. Reinhard Wirth |
| Stichwörter / Keywords: | microbial ecology, archaeome, subsurface microbial life, cleanroom microbiome, human skin microbiome, SM1 Euryarchaeon, sulfate-reducing bacteria, biofilm, string-of-pearls community, astrobiology, planetary protection,16S rRNA, microarray, PhyloChip, SR-FTIR, metagenomics |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 30080 |
Zusammenfassung (Englisch)
Despite the almost ubiquitous nature of Archaea about the planet, and an ever-increasing appreciation for the contribution they make to Earth’s energy cycles, the distribution and metabolic potential of these microorganisms remain poorly understood due to the lack of cultivated representatives. The overarching objective of this study was to significantly bolster the current understanding of the ...
Zusammenfassung (Englisch)
Despite the almost ubiquitous nature of Archaea about the planet, and an ever-increasing appreciation for the contribution they make to Earth’s energy cycles, the distribution and metabolic potential of these microorganisms remain poorly understood due to the lack of cultivated representatives. The overarching objective of this study was to significantly bolster the current understanding of the occurrence and function of archaea, and co-existing bacteria, in two so-far poorly explored biotopes. To date, archaea have yet to be isolated and cultivated under laboratory conditions from either of these environments, which necessitated the use of metagenomic and other emerging molecular approaches available in the field of microbial ecology.
The first biotope investigated, spacecraft assembly cleanrooms, are strongly influenced by rigorous cleaning regimens, controlled humidity, and scarce nutrients. While the occurrence of Thaumarchaeota had already been reported in these environments, their origin and mode of ingress remained unknown and unexplored. Over the course of this investigation, Thaumarchaeota were identified to persist on human skin, and human activity was shown to be a source of the observed archaeal presence in spacecraft assembly facilities. In a parallel vein, a viability-dependent assay coupled to molecular microbiome profiling enabled the differentiation of living fraction of bacteria from the entire community profile. The results of these analyses represent a milestone in cleanroom monitoring, as they suggest that the viable fraction of the spacecraft assembly cleanroom microbiome accounts for a mere tenth of its total abundance and diversity.
The second biotope investigated in this study were subsurface environments that are accessible through anaerobic, sulfidic springs. It had previously been demonstrated that, with regard to biodiversity and metabolic potential, the subsurface remains poorly characterized and thus represents a great reservoir for mining novel microbial lineages. More specifically, the upwelling of sulfidic springs near Regensburg has been shown to source extensive quantities of nearly mono-species biofilms of the recently discovered SM1 Euryarchaeon (95% purity). The findings of this investigation, for the first time ever, demonstrated that bacterial contingent of this primarily archaeal biome was actively taking part in sulfate-reduction. Comparative microbiome analysis of biofilms from two geographically distinct spring locations enabled the observation of extensive variation between communities without substantial change in their function. To resolve the metabolic capability and phylogenomic position of the SM1 Euryarchaeon, metagenomic approaches were utilized in concert with other state-of-theart techniques. The results of these efforts evidenced a distinct pyhlogenetic position of the SM1 Euryarchaea, for which the name “Candidatus Altiarchaeum hamiconnexum” (candidatus family “Altiarchaeaceae”, candidatus order “Altiarchaeales”) is proposed. The genome of this novel taxon was shown to encode the enzymes responsible for a novel, archaeal acetyl-CoA pathway free of Factor420. Such a pathway affords these double-membraned archaea to grow anaerobically, most likely via acetate oxidation. Genes for the genesis of the biofilms mediated by nano-grappling hooks and diverse extracellular polysaccharides were identified in the genome. It is hypothesized that the biofilm provides a competitive advantage with respect to fitness, as they help to outcompete other subsurface microorganisms by filtering and capturing nutrients that seep into the groundwater. The findings of the many investigations that make up this thesis significantly contributed to today’s much enhanced understanding of archaea and the roles they play alongside the co-occurring bacteriome in two distinct biotopes. At the same time, the results represent a remarkable example of how well the ecophysiology of novel archaeal lineages can be examined with current state-of-the-art technologies.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Archaeen, die dritte Domäne des Lebens, sind ubiquitär in Ökosystemen und leisten einen großen Beitrag zum Energiezyklus der Erde. Nichtsdestotrotz ist ihre Verbreitung und ihr metabolisches Potential nur gering erforscht, da nur ein kleiner Anteil dieser Organismen im Labor kultiviert und studiert werden kann. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das Vorkommen und die Funktion von Archaeen und ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Archaeen, die dritte Domäne des Lebens, sind ubiquitär in Ökosystemen und leisten einen großen Beitrag zum Energiezyklus der Erde. Nichtsdestotrotz ist ihre Verbreitung und ihr metabolisches Potential nur gering erforscht, da nur ein kleiner Anteil dieser Organismen im Labor kultiviert und studiert werden kann. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das Vorkommen und die Funktion von Archaeen und des begleitenden bakteriellen Mikrobioms in zwei noch relativ unerforschten Biotopen zu entschlüsseln. Da es bis heute nicht möglich war Archaeen aus diesen Biotopen zu kultivieren, wurden für diesen Ansatz Metagenomstudien und andere molekulare Methoden der mikrobiellen Ökologie herangezogen. Das erste untersuchte Biotop waren sogenannte Spacecraft Assembly Facilties. Diese Reinräume, in welchen Raumfahrzeuge gebaut werden, sind durch kontinuierliche Reinigung, regulierte Luftfeuchtigkeit, und wenig Nährstoffe gekennzeichnet. Obwohl das Auftreten von Thaumarchaeota in diese Reinräumen bereits dokumentiert worden war, blieb deren Herkunft und Eintritt in den Reinraum gänzlich unverstanden und unerforscht. Im Verlauf dieser Dissertation konnte gezeigt werden, dass Thaumarchaeota auf menschlicher Haut vorkommen und menschliche Aktivität somit für das Auftreten dieser Mikroorganismen in Reinräumen verantwortlich ist. Parallel dazu wurden molekulare Methoden der Mikrobiom-Analyse mit einer Lebend-Markierung verknüpft um Einblick in das potentiell lebende Bakteriom eines Reinraums zu gewinnen. Diese Analysen sind ein Meilenstein in der mikrobiellen Reinraum-Forschung, da sie zeigen, dass weniger als ein Zehntel aller Bakterien in Reinräumen potentiell am Leben und ihre Diversität entsprechend niedrig ist.
Das zweite Ökosystem, das im Verlauf dieser Arbeit untersucht wurde, waren unterirdische Biotope, die durch sulfidische, anaerobe Schwefelquellen zugänglich waren. Vorangegangene Studien hatten gezeigt, dass die Biodiversität und das metabolische Potential von Mikroorganismen, deren Ökosysteme sich im Untergrund befinden, nur geringfügig verstanden sind. In der Tat stellen diese Biotope ein großes Reservoir an unbekannten Mikroorganismen dar, die sukkzessive erforscht werden. In dieser Arbeit wurden vor allem Schwefelquellen um Regensburg untersucht, in welchen das SM1 Euryarchaeon endeckt worden war. Dieses — in Hinblick auf Metabolismus und Genomik — noch wenig erforschte Archaeon formt einen beinhahe Monospezies-Biofilm (95% Reinheit) im Untergrund, dessen Bruchstücke kontinuierlich durch sulfidische Quellen zur Oberfläche befördert werden. Die Analysen der Biofilme in der vorliegenden Arbeit zeigten, dass das Archaeon überweigend mit aktiven Sulfat-reduzierenden Bakterien im Biofilm vergesellschaftet war. Vergleichende Analysen von zwei Biofilmen aus unterschiedlichen Quellen erbrachten den Nachweis, dass sich deren Mikrobiom zwar auf vielerlei taxonomischen Ebenen unterschied, jedoch die Funktion der Bakterien in der Gemeinschaft identisch war. Um die metabolischen Eigenschaften und die phylogenomische Position des SM1 Euryarchaeons zu entschlüsseln wurden Metagenomstudien durchgeführt. Deren Ergebnisse zeigten eindeutig eine distinkte phylogenomische Position des SM1 Euryarchaeons, für welches somit der Name “Candidatus Altiarchaeum hamiconnexum” vorgeschlagen wurde (Candidatus Familie “Altiarchaeaceae”, Candidatus Ordnung “Altiarchaeales”). Das Genom dieses neuen Taxons kodierte für Enzyme eines neuartigen, archaeellen Acetyl-CoA-Weg ohne Faktor420. Dieser Weg ermöglicht den Archaeen mit Doppelmembran ein anaerobes Wachstum, vermutlich durch Acetat-Oxidation. Zudem wurden Gene für die Biofilmbildung identifiziert, welche für die Synthese von Zellanhängen (kleine Enterhaken) und von Zuckern (Biofilmmatrix) kodieren. Es wird vermutet, dass der so gebildete Biofilm einen kompetitiven Vorteil gegenüber anderen Organismen darstellt, mit dessen Hilfe die Archaeen kostbare Nährstoffe (z.B. Acetat) filtern, die in das Habitat des Archaeons einsickern.
Die Ergebnisse dieser Arbeit haben zum besseren Verständnis von Archaeen und ihren koexistierenden Bakterien in zwei bis dato wenig erforschten Biotopen beigetragen. Gleichzeitig ist diese Studie ein herausragendes Beispiel dafür, wie gut die Ökophysiologie eines neuen Archaeons mit aktuellen Forschungsmethoden in der Natur studiert werden kann.
Metadaten zuletzt geändert: 26 Nov 2020 01:03
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