Metagenomic Analyses of Glacier Ice

Simon, Carola

dc.contributor.advisor	Daniel, Rolf PD Dr.	de
dc.contributor.author	Simon, Carola	de
dc.date.accessioned	2012-05-16T12:10:40Z	de
dc.date.available	2013-01-30T23:50:51Z	de
dc.date.issued	2009-06-15	de
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B66E-F	de
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.53846/goediss-1363
dc.description.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.	de
dc.format.mimetype	application/pdf	de
dc.language.iso	eng	de
dc.rights.uri	http://webdoc.sub.gwdg.de/diss/copyr_diss.html	de
dc.title	Metagenomic Analyses of Glacier Ice	de
dc.type	doctoralThesis	de
dc.title.translated	Metagenomanalysen von Gletschereis	de
dc.contributor.referee	Daniel, Rolf PD Dr.	de
dc.date.examination	2009-01-21	de
dc.subject.dnb	500 Naturwissenschaften allgemein	de
dc.description.abstracteng	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.	de
dc.contributor.coReferee	Gottschalk, Gerhard Prof. Dr.	de
dc.subject.topic	Mathematics and Computer Science	de
dc.subject.ger	Gletscher	de
dc.subject.ger	Metagenomik	de
dc.subject.ger	Umweltgenbanken	de
dc.subject.ger	Screening-Strategien	de
dc.subject.ger	DNA-Polymerase	de
dc.subject.ger	Pyrosequenzierung	de
dc.subject.ger	phylogenetische Diversität	de
dc.subject.ger	metabolische Diversität	de
dc.subject.ger	psychrophil	de
dc.subject.eng	Glacier	de
dc.subject.eng	metagenomic DNA libraries	de
dc.subject.eng	screening strategies	de
dc.subject.eng	DNA polymerase	de
dc.subject.eng	pyrosequencing	de
dc.subject.eng	phylogenetic diversity	de
dc.subject.eng	metabolic diversity	de
dc.subject.eng	psychrophilic	de
dc.subject.bk	42.3	de
dc.identifier.urn	urn:nbn:de:gbv:7-webdoc-2134-8	de
dc.identifier.purl	webdoc-2134	de
dc.affiliation.institute	Biologische Fakultät inkl. Psychologie	de
dc.subject.gokfull	WUV 000: Angewandte Mikrobiologie	de
dc.subject.gokfull	WUK 000: Genetik der Mikroorganismen, Molekularbiologie der Mikrorganismen {Mikrobiologie}	de
dc.identifier.ppn	642412030	de