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Metagenomic Analyses of Glacier Ice

Metagenomanalysen von Gletschereis

by Carola Simon
Doctoral thesis
Date of Examination:2009-01-21
Date of issue:2009-06-15
Advisor:PD Dr. Rolf Daniel
Referee:PD Dr. Rolf Daniel
Referee:Prof. Dr. Gerhard Gottschalk
crossref-logoPersistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-1363

 

 

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Abstract

English

The largest part of the Earth s microbial biomass is stored in cold environments, which represent almost untapped reservoirs of novel species, processes, and genes. In this study, the first metagenomic survey of the metabolic and phylogenetic diversity of a glacial microbial community was conducted. In addition, the so far unexplored habitat glacier ice was exploited with respect to novel genes encoding DNA-modifying enzymes. DNA was isolated from glacial ice of the Northern Schneeferner, Germany. The phylogenetic composition of the microbial community was assessed by evaluation of a pyrosequencing-derived dataset, sequencing of 16S rRNA genes, and cultivation. The Proteobacteria (mainly, Betaproteobacteria), Bacteroidetes, and Actinobacteria were the dominant phylogenetic groups. As expected for microorganisms living in a low-nutrient environment, a high metabolic versatility with respect to degradation of organic substrates was detected. The presence of autotrophic microorganisms was indicated by identification of genes typical for different ways of carbon fixation. In accordance with the results of the phylogenetic studies, in which mainly aerobic and facultative aerobic bacteria were detected, genes typical for central metabolism of aerobes were found. Nevertheless, the capability of growth under anaerobic conditions was indicated by genes involved in dissimilatory nitrate/nitrite reduction. Numerous characteristics for metabolic adaptations associated with a psychrophilic lifestyle, such as formation of cryoprotectants and maintenance of membrane fluidity by incorporation of unsaturated fatty acids, were detected. Metagenomic libraries were constructed from the isolated glacial DNA in plasmids and fosmids that harbor approximately 1.07 Gbp of DNA. The libraries were screened for DNA polymerase-encoding genes by complementation of an Escherichia coli polA mutant. Nine novel genes encoding complete DNA polymerases I or typical domains of these proteins were recovered by employing this rapid screening approach. Although polA genes are highly conserved, the identified putative DNA polymerases displayed low sequence identities to known polymerases. This indicated that libraries derived from a permanently frozen habitat are a rich resource for the discovery of genes that originate from uncharacterized organisms. Furthermore, the phylogenetic and metabolic analysis of the glacial metagenome provided insight into microbial live in frozen habitats on Earth, thereby possibly shedding light onto microbial life in analogous extraterrestrial environments.
Keywords: Glacier; metagenomic DNA libraries; screening strategies; DNA polymerase; pyrosequencing; phylogenetic diversity; metabolic diversity; psychrophilic

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Der größte Teil der mikrobiellen Biomasse der Erde befindet sich in kalten Gebieten, die ein fast unberührtes Reservoir für die Entdeckung neuer mikrobieller Arten, biologischer Prozesse und Gene darstellen. In dieser Arbeit wurde die erste Metagenomanalyse der metabolischen und phylogenetischen Diversität einer mikrobiellen Gemeinschaft aus Gletschereis durchgeführt. Darüber hinaus wurden Metagenombanken konstruiert und auf das Vorhandensein von Genen für DNA-modifizierende Enzyme durchmustert. DNA wurde aus Gletschereis des Nördlichen Schneeferner isoliert. Die phylogenetische Diversität der mikrobiellen Gemeinschaft wurde durch Analyse von Pyrosequenzierungsdaten und 16S rRNA Genanalysen untersucht. Als dominante Phyla im Eis des Nördlichen Schneeferner wurden Proteobacteria (hauptsächlich Betaproteobacteria), Bacteroidetes und Actinobacteria nachgewiesen. Durch funktionelle Analyse der Sequenzdaten wurde eine hohe metabolische Vielseitigkeit der mikrobiellen Gemeinschaft im Hinblick auf den Abbau von organischen Substraten nachgewiesen. Dies ist typisch für Mikroorganismen, die in einem Habitat mit niedrigem Nährstoffgehalt leben. Einen Hinweis auf das Vorhandensein von autotrophen Mikroorganismen ergab die Identifikation von Genen, die charakteristisch für verschiedene Wege der Kohlenstofffixierung sind. In Einklang mit den Ergebnissen der phylogenetischen Untersuchungen, in denen hauptsächlich aerobe und fakultativ anaerobe Bakterien nachgewiesen wurden, konnten durch die funktionelle Analyse typische Gene für den zentralen Metabolismus von aeroben Mikroorganismen identifiziert werden. Dennoch war die Fähigkeit des Wachstums unter anaeroben Bedingungen durch die Identifikation von Genen für eine dissimilatorische Nitrat/Nitritreduktion angezeigt. Zahlreiche Besonderheiten für physiologische und metabolische Anpassungen im Zusammenhang mit einem psychrophilen Lebenstil wurden nachgewiesen. Dazu gehören z. B. Gene für die Synthese von Frost- und Osmoseschutzmitteln (Betain, Glycin, Glutamat) und für Enzyme, die an der Aufrechterhaltung der Membranfluidität durch Synthese von ungesättigten Fettsäuren beteiligt sind. Zusätzlich wurden Plasmid- und Fosmidgenbanken aus der isolierten Gletschereis-DNA konstruiert. Insgesamt wurden ca. 1,07 Gbp Gletschereis-DNA kloniert. Anschließend wurden die Genbanken auf das Vorhandensein von Genen für DNA-Polymerasen durch Komplementation einer Escherichia coli polA Mutante durchmustert. Neun neuartige Gene, die für eine komplette DNA-Polymerase I oder charakteristische Domänen dieses Proteins kodieren, wurden durch Anwendung dieses schnellen Screeningverfahrens identifiziert. Obwohl polA Gene hochkonserviert sind, wiesen die identifizierten putativen DNA-Polymerasen eine geringe Sequenzidentität zu bekannten Polymerasen auf. Es wurde belegt, dass die Genbanken aus einem dauerhaft gefrorenem Standort eine reichhaltige Ressource für Gene aus bisher uncharakterisierten Organismen sind. Darüber hinaus lieferte die phylogenetische und metabolische Analyse des Gletschereismetagenoms Einblicke in die Lebensweise von Mikroorganismen an Tieftemperaturstandorten. Hierdurch könnten Hinweise zur Aufklärung von mikrobiellem Leben in extraterrestrischen Lebensräumen gewonnen werden.
Schlagwörter: Gletscher; Metagenomik; Umweltgenbanken; Screening-Strategien; DNA-Polymerase; Pyrosequenzierung; phylogenetische Diversität; metabolische Diversität; psychrophil
 

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