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Marine Bakterien DNA-Fresser aus dem Atlantik

Autor / Redakteur: Pia Gärtner* / Christian Lüttmann

In jeder Zelle steckt DNA – und jede Zelle stirbt irgendwann ab. Im Meer werden so Unmengen an DNA-Molekülen freigesetzt. Ein Festessen für manche marine Bakterien im Sediment. Forscher der Universität Wien haben nun verschiedene solcher DNA-Fresser im Atlantik nachgewiesen und deren Fähigkeit zum DNA-Abbau untersucht.

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DNA ist der Speicher genetischer Information. Doch extrazelluläre DNA dient auch Mikroben im Meeresboden als Nahrungsgrundlage (Symbolbild).
DNA ist der Speicher genetischer Information. Doch extrazelluläre DNA dient auch Mikroben im Meeresboden als Nahrungsgrundlage (Symbolbild).
(Bild: gemeinfrei, yokim, ColiN00B / Pixabay )

Wien/Österreich – Sie ist nicht nur eine Bibliothek genetischer Informationen, sondern bereichert auch den Speiseplan von Mikroben: Desoxyribonukleinsäure, besser bekannt unter der Abkürzung DNA. Sie ist ein wichtiger Nährstoff für Mikroorganismen. Genauer gesagt extrazelluläre DNA-Moleküle – das sind jene, die nicht oder nicht mehr in intakten Zellen sind. „DNA ist aus Perspektive der Bakterien besonders nahrhaft“, sagt Kenneth Wasmund, Mikrobiologe am Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft der Universität Wien. „Sie ist im Grunde ein Dünger, schließlich besteht sie aus einer Kette von Millionen von Zucker-Molekülen und phosphor- und stickstoffhaltigen Basen.“

Extrazelluläre DNA wird v. a. dann frei, wenn ein Organismus stirbt, und ist daher reichlich in der Umwelt vorhanden. Mikroben, die diese und andere Biomoleküle abbauen, spielen in den globalen biogeochemischen Kreisläufen eine wichtige Rolle, weil sie organisches Material aus dem Ozeanwasser recyceln und dadurch beeinflussen, wie viel Kohlenstoff in den Meeresboden gelangt. Jedoch sind nicht alle Mikroorganismen in der Lage, DNA als Nährstoff zu nutzen.

Was passiert mit der DNA nach dem Tod?

Einen riesigen Lebensraum für diese ökologisch so wichtigen Mikroorganismen stellen die schlammigen Sedimente des Meeresbodens dar, immerhin bedecken unsere Ozeane mehr als 70 Prozent der Erdoberfläche. Tausende Arten von Sedimentmikroben leben hier – die meisten davon sind noch weitgehend unbekannt. Wasmund und sein Team der Uni Wien haben nun untersucht, ob und wie Mikroben im Meeresboden DNA als Nahrungsquelle nutzen.

„Unsere Studie identifiziert einige dieser Mikroben und deckt ihre Lebensweisen auf. Sie sagt uns zugleich etwas darüber, was mit den Unmengen an DNA passiert, die ständig in der Umwelt frei werden, sich aber nirgendwo anreichern und entsprechend offenbar irgendwie recycelt werden“, erklärt der Studienleiter.

Mit schwerem Kohlenstoff der Verdauung von Mikroben auf der Spur

Für die Studie sammelten Kollegen der University of Calgary in Kanada Proben des Meeresbodens in der Baffin Bay, einem Randmeer des Atlantischen Ozeans zwischen Grönland und Kanada. Um in diesen Proben DNA-fressende Mikroben zu identifizieren und zu charakterisieren, nutzte das Forscherteam eine Reihe experimenteller, analytischer und bioinformatischer Methoden.

In Laborexperimenten fütterten die Forscher die Bakterien mit gereinigter DNA, die sie mit schweren Kohlenstoffatomen (13C) isotopisch markiert hatten. Unter anderem mittels eines spezifischen Isotopenbildgebungsverfahrens verfolgten sie anschließend den schweren Kohlenstoff und fanden so heraus, welche Bakterien die markierte DNA abbauten. Darüber hinaus entschlüsselten die Wissenschaftler die Genome der DNA-verwertenden Mikroorganismen und leiteten daraus ihr enzymatisches Potenzial und damit ihre Funktion ab.

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Keine Gefahr für Menschen

„DNA-fressende Bakterien“ klingt zunächst gefährlich. Schließlich sind schon kleinste Schäden an der DNA Ursache für schwere Erbkrankheiten oder Krebs. Aber vor den hier vorgestellten Mikroben braucht sich niemand zu fürchten, aus drei Gründen:

  • Sie sind im Meeresboden im Atlantik heimisch – ein Kontakt mit Menschen ist damit höchst unwahrscheinlich.
  • Das Immunsystem würde die Bakterien als Eindringlinge erkennen und unschädlich machen.
  • Selbst wenn die Bakterien es in den Körper schaffen würden, wäre unsere DNA gut vor ihnen geschützt: hinter der Membran des Zellkerns und der Membran der Zelle selbst.

Neuartige DNA-fressende Bakterien im Meeresboden

Die metagenomische Analyse zeigte, dass die Bakterien mit DNA-abbauenden Enzymen ausgestattet sind, die es ihnen ermöglichen, die DNA zu verkleinern, damit sie sie in die Zelle aufnehmen und verzehren können. Eine neu entdeckte Bakterienart stach dabei hervor, weil sie über ein besonders ausgefeiltes Instrumentarium zum Abbau von DNA verfügte. Ihren Appetit auf DNA – auch Nukleinsäure genannt – trägt sie nun im Namen: Das Forschungsteam nannte sie Izemoplasma acidinucleici.

Originalpublikation: Wasmund K, Pelikan C, Schintlmeister A, Wagner M, Watzka M, Richter A, Bhatnagar S, Noel A, Hubert C, Rattei T, Hoffman T, Herbold C, Hausmann B, Loy A.: Genomic insights into diverse bacterial taxa that degrade extracellular DNA in marine sediments, Nature Microbiology (2021); DOI: 10.1038/s41564-021-00917-9

Weitere Publikation: Pelikan C, Wasmund K, Glombitza C, Hausmann B, Herbold C, Flieder M, Loy A.: Anaerobic bacterial degradation of protein and lipid macromolecules in subarctic marine sediment, The ISME Journal, 2021 Mar;15(3):833-847, DOI: 10.1038/s41396-020-00817-6

* P. Gärtner, Universität Wien, 1010 Wien/Österreich

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