Metagenomic and Metatranscriptomic Analyses of Calcifying Biofilms

Abstract

Biofilme sind eine der widerstandsfähigsten Formen mikrobiellen Lebens. Ihr frühzeitiges Auftreten in der Erdgeschichte konnte durch Stromatolithfunde bewiesen werden. Heutige Biofilme und mikrobielle Matten bieten somit eine Möglichkeit wichtige Einblicke und Erkenntnisse über das erste Leben auf unserem Planeten zu geben. In dieser Arbeit wurden die prokaryotischen Lebensgemeinschaften von verschiedenen Ökosystemen mittels metagenomischer und metatranskriptomischer Methoden analysiert. Mithilfe von „Next-Generation Sequencing“ wurden 16S rRNA Genanalysen, metatranskriptomische Analysen und funktionsbasierte Durchmusterungen von Fosmid-Metagenombanken durchgeführt. Die bakterielle Zusammensetzung und Diversität von kalzifizierenden Biofilmen und dem unterliegenden Kalktuff des Frischwasserbachs Westerhöfer Bach wurden analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass der Biofilm hauptsächlich von filamentösen Cyanobacteria, aeroben Vertretern aus allen Klassen der Proteobacteria und Chloroflexi bevölkert wurde. Die bakterielle Diversität nahm flussabwärts zu, was auf Änderungen der physikochemischen Parameter zurückgeführt wird. Aufgrund geringerer UV-Einstrahlung waren im Kalktuff mehr Proteobacteria als Cyanobacteria vorhanden. Des Weiteren gab es deutliche Unterschiede zwischen den relativen Abundanzen der gesamten und aktiven proteobakteriellen Klassen im Biofilm. Die aktiven Funktionen der Biofilm-Mikrobiota einer Westerhöfer Bach Probe wurden mittels metatranskriptomischer Methoden genauer analysiert. Die meisten Transkripte der mikrobiellen Biofilmgemeinschaft umfassten Gene der Photosynthese, des Proteinmetabolismus, des Kohlenstoffmetabolismus und der Zellatmung. Um das metagenomische Potential des Westerhöfer Bach Biofilms zu erschließen, wurden vier „large-insert“ Metagenombanken konstruiert. Funktionsbasierende Durchmusterungsverfahren führten zur Identifikation von fünf bisher unbekannten Genen, die für proteolytische Enzyme kodieren und einem Gen-Cluster, welches für cellulolytische Enzyme kodiert. Bei dem zweiten untersuchten Habitat handelt es sich um eine mikrobielle Matte des hypersalinen Lake 21 auf Kiritimati. Die Mikrobialith-bildende Matte besteht aus neun klar abgegrenzten, unterschiedlich gefärbten Lagen, welche separat auf ihre bakterielle und archaelle Zusammensetzung analysiert wurden. Anhand der prokaryotischen Zusammensetzung und dem Sauerstoff- und Lichtgradienten ergab sich eine Einteilung der mikrobiellen Matte in drei Zonen. Im Allgemeinen erhöhte sich die prokaryotische Diversität mit Tiefe der Matte, wohingegen das Redoxpotential und der pH-Wert sanken. Passend zu den hydrochemischen Daten änderte sich die prokaryotische Zusammensetzung von der photisch-oxischen Zone, welche aus halophilen, oxygenen und anoxygenen Phototrophen und aeroben Heterotrophen bestand, zu Sulfat-reduzierenden Bakterien (SRB), Fermentierern und potentiell Sulfat-reduzierenden Archaeen in der Übergangszone. In der anoxischen Zone konnten hauptsächlich SRB, Fermentierer, Ammonium-oxidierende Archaea und geringe Mengen methanogene Archaeen detektiert werden. Von den kenianischen Natronseen Bogoria, Sonachi, Elementeita und Magadi wurde die prokaryotische Zusammensetzung und Diversität von Boden-, Sediment-, Wasser-, und mikrobiellen Mattenproben analysiert. Hier zeigte sich, dass Boden- sowie Sedimentproben hauptsächlich von Proteobacteria, Gemmatimonadetes, Firmicutes, Actinobacteria, Acidobacteria und Bacteroidetes bevölkert wurden, wohingegen in den Wasserproben Cyanobacteria vorherrschten. Die Archaeen wurden überwiegend von unterschiedlichen Vertretern der Halobacteria repräsentiert. In den humiden Proben wurden außerdem methanogene Archaeen und Thaumarchaeota nachgewiesen. Letztlich wurde in dieser Arbeit die bakterielle Zusammensetzung des Biofilms und des dazugehörigen Planktons von mikrobiellen Brennstoffzellen (MBZ) untersucht. Der erzeugte Datensatz demonstrierte, dass die aktive und gesamte bakterielle Lebensgemeinschaft in den einzelnen Replikaten minimal variierte. Generell zeigte sich, dass stromproduzierende MBZ eine niedrigere bakterielle Diversität aufwiesen als nicht stromproduzierende MBZ. Des Weiteren zeigte die Analyse, dass bisher unkultivierte Vertreter der Spezies Geobacter und Clostridium mit der Stromproduktion verbunden waren.