Eine vergleichende Studie der Universität Osnabrück und der University of Cambridge dokumentiert die Bedeutung kooperativer Nährstoffnetzwerke in bodenbürtigen Bakteriengemeinschaften. Die Analysen belegen, dass mikrobielle Populationen im Boden in funktionellen Konsortien koexistieren und essenzielle Metabolite austauschen. Die Befunde liefern empirische Evidenz für die sogenannte „Black Queen Hypothese“, welche den evolutionären Verlust autotropher Synthesewege zugunsten der Einsparung von Stoffwechselenergie und der Abhängigkeit von Umgebungsmetaboliten beschreibt.
High-Throughput-Screening auf mikrobielle Auxotrophien
Zur Überprüfung des metabolischen Verbunds wählte die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Christian Kost einen kultivierungsbasierten Ansatz. „Wir haben Bodenproben in Jena, Thüringen, gesammelt und daraus knapp 7.000 Bakterienstämme aus 27 Bakteriengemeinschaften isoliert“, erklärt Prof. Kost. „Im Labor haben wir dann untersucht, welche Bakterien dazu in der Lage waren, bestimmte Nährstoffe selbst herzustellen und welche auf die Nährstoffaufnahme aus der Umgebung angewiesen sind.“
Die phänotypische Charakterisierung ergab, dass rund 50 % der Isolate einer natürlichen Gemeinschaft Auxotrophien für mindestens eine essenzielle Aminosäure aufwiesen. In darauffolgenden Co-Kultivierungsexperimenten zeigte sich, dass die auxotrophen Stämme durch prototrophe Interaktionspartner im Medium mit den fehlenden Proteinbausteinen versorgt wurden, was deren Wachstumsfähigkeit in Mischkultur determinierte.
Genomische Instabilität durch mobile genetische Elemente
Genomkanalysen lieferten Hinweise auf den molekularen Mechanismus hinter den beobachteten Deletionen. Das gehäufte Vorkommen mobiler DNA-Elemente (Transposons/Insertionselemente) korreliert mit dem Inaktivieren von Biosynthese-Genen. Der Einbau dieser Elemente unterbricht spezifische Stoffwechselpfade der Aminosäuresynthese, was den raschen Wandel hin zum auxotrophen Phänotyp im Zuge der mikrobiellen Evolution erklärt.
Relevanz für Mikrobiologie, Biomedizin und Agrarbiotechnologie
Die Ergebnisse verdeutlichen die ausgeprägte Vernetzung bodenbürtiger Bakterienkonsortien. „Alles in allem unterstützen unsere Untersuchungen die Schwarze Königin Hypothese und zeigen, dass Bodenbakterien nicht nur um Nährstoffe konkurrieren. Im Gegenteil: Sie koexistieren in einer Art Netzwerk, in dem sie sich gegenseitig mit Nährstoffen versorgen und ermöglichen damit überhaupt erst ihr Überleben“, so Prof. Kost.
Darüber hinaus bietet das Konzept der metabolischen Interdependenz Erklärungsansätze für das Phänomen der unkultivierbaren Mikroorganismen (The Great Plate Count Anomaly) in der Laboranalytik. Prof. Kost fasst zusammen: „Diese Studie bietet neue Einblicke in die Art und Weise, wie Bakterien in ihrer natürlichen Umgebung miteinander zusammenleben. Die dabei gewonnen Erkenntnisse können außerdem dabei helfen, Bakteriengemeinschaften besser zu verstehen, die in der Biomedizin oder Landwirtschaft eine wichtige Rolle spielen.“