AMIRA - Analyse mikrobieller Verwandtschaftsbeziehungen in vivo mit Ramanspektroskopie

Im Projekt AMIRA wird am HOT zusammen mit dem Arbeitsbereich Wasser- und Abwasserbiologie am Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik (ISAH) und in Kooperation mit der AG Pommerening-Röser  der Mikrobiologie & Biotechnologie an der Universität Hamburg eine vollständige Methode für die phylogenetisch sensitive Analyse komplexer bakterieller Biofilme in vivo entwickelt. Dabei wird der erste auf rein-optischen, nicht-invasiven, kontaktfreien in vivo Messungen basierende bakterielle Stammbaum erstellt, und ein Zeitrafferfilm der ungestörten, phylogenetisch aufgelösten Biofilmbildung von anaerob Ammoniak oxidierenden Bakterien (AOB) aufgenommen. Dies wird erstmalig die direkte vollständige Beobachtung fortschreitender, ungestörter Biofilmbildung einschließlich der Verwandtschaftsbeziehungen der die entstehenden Mikrohabitate besiedelnden Bakterien ermöglichen.

In der Natur kommen Bakterien kaum in ihrer planktonischen Form vor, statt dessen bilden sie Biofilme. Biofilme sind dichte, diverse und strukturierte Metaorganismen, deren Eigenschaften sich stark von den in ihnen vergesellschafteten Mikroben unterscheiden. Informationen über Abstammung und relative Verwandtschaft, d.h. die Phylogenie der in ihnen vergesellschafteten Mikrobenpopulationen, sind entscheidend für das Verstehen und den erfolgreichen Einsatz der natürlichen Ressource Biofilm. Die Standardverfahren zur mikrobiellen Phylogenese, also der Bestimmung mikrobieller Verwandtschaftsbeziehungen, sind durchgängig invasiv und zerstören die beobachteten mikrobiellen Gemeinschaften entweder durch Extraktion von Zellmaterial oder durch Einbringen von Sonden- und Markermolekülen, so dass ein phylogenetisches Studium sich ungestört entwickelnder mikrobieller Gemeinschaften, sogenannter Biofilme, derzeit nicht möglich ist.

Im Rahmen von AMIRA beabsichtigen wir am HOT, Zytochrom-c-resonante Ramanmikroskopie (CRRM) für die kontinuierliche optische in vivo und in situ Analyse bakterieller Verwandtschaftsbeziehungen in lebendem, sich ungestört entwickelndem Biofilm mit einer zellgenauen Auflösung zu etablieren.

CRRM wird bereits erfolgreich zur strukturellen in vivo Untersuchung von Biofilmen auf Zellebene eingesetzt. Um zusätzlich die in den Zytochromen kodierte phylogenetische Information abzufragen, ist es erforderlich die Methode mit bakteriellen Stämmen, deren Verwandtschaftsbeziehungen eindeutig bekannt sind, sowie mit sich aus diesen Stämmen entwickelnden Biofilmen zu kalibrieren.

Hierzu dienen uns Stämme Ammoniak oxidierender Bakterien (AOB), die die gesamte Ordnung der Nitrosomonodales Bakterien abdecken. Die Nitrosomonodales haben eine wichtige Rolle für den globalen Stickstoffkreislauf. Biofilme mit einem hohen AOB Gehalt sind entscheidend für die biologische Abwasserreinigung, dennoch liegen über ihre Entstehung keine belastbaren Erkenntnisse vor. Wir werden daher AOB in planktonischen Kulturen bei optimalen Wachstumsbedingungen, unter Sauerstoffstress, und während der Biofilmbildung unter verschiedenen Flussbedingungen untersuchen. Dabei werden wir den phylogenetischen Geltungsbereich von CRRM unter wechselnden Wachstumsbedingungen bestimmen und die Vergleichbarkeit mit den invasiven Standardmethoden sicherstellen.