Metagenomic Analyses of Glacier Ice

Abstract

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.