Microalgae and Bacteria Interaction

Abstract

Mikroalgen gehören zu den am weitesten verbreiteten Lebensformen auf der Erde und sind eng mit unterschiedlichen und spezialisierten Mikrobiota verbunden. Es ist allgemein anerkannt, dass Wechselwirkungen zwischen Bakterien und Algen die Produktion von Algenbiomasse steigern und diese mit wertvollen Verbindungen wie Lipiden, Kohlenhydraten und Pigmenten anreichern können. Ein vollständiges Verständnis der komplexen Wechselbeziehungen zwischen verschiedenen Königreichen und der unterschiedlichen Funktion jedes einzelnen Organismus bleibt jedoch schwer zu erreichen.

Die folgenden Forschungsthemen wurden im Rahmen dieser Studie behandelt: (i) Meine Studie begann mit der Untersuchung der gegenseitigen Zusammenarbeit von Mikroalgen und Bakterien, wobei mein Ziel darin bestand, die individuelle Rolle der Mitglieder der Multispezies-Konsortien aufzudecken. Es wurde festgestellt, dass die Algenmikrobiota, die weniger als zehn verschiedene Mikroorganismenarten beherbergt, dominante Arten umfasst, die mit den Gattungen Variovorax, Porphyrobacter und Dyadobacter verbunden sind. Die Studie lieferte starke Beweise dafür, dass Dyadobacter Enzyme zum Abbau von Polysacchariden und Leucin-reiche Wiederholungsproteine produziert und freisetzt; Variovorax versorgt das Konsortium mit Auxinen und Vitamin B12, während Porphyrobacter ein breites Spektrum an B-Vitaminen produziert. Studien haben schlüssig gezeigt, dass Mikroalgen und Bakterien synergistisch funktionieren, wobei Bakterien Quorum-Sensing- und Sekretionssystemmechanismen für die Kommunikation untereinander nutzen. Die gemeinsame Währung zwischen den Partnern schien Vitamine, das Wachstum von Mikroalgen fördernde Substanzen und gelöster Kohlenstoff zu sein. Experimentelle und transkriptombasierte Daten deuten darauf hin, dass Dyadobacter ein Schlüssel zum Algenwachstum und zur Algenfitness innerhalb dieser Multispezies-Interaktion ist und sich in hohem Maße an die Phykosphäre angepasst hat. Durch die Untersuchung des synthetischen Pflanzen-Bakterien-Systems wurde festgestellt, dass das Wachstum der Mikroalge Scenedesmus quadricauda durch eines der Bakterienisolate stark stimuliert wurde. Dieses Isolat stammte ursprünglich aus der nicht-axenischen Algenkultur von S. quadricauda und wurde als Dyadobacter sp. HH091 identifiziert. Weitere Untersuchungen wurden mit physiologischen Methoden nach Zugabe von Dyadobacter sp. HH091 zu axenischen Algenkulturen durchgeführt. Um die erforderlichen Untersuchungen durchzuführen, habe ich die Proben mit einem Mikroskop untersucht, die photosynthetische Aktivität gemessen und Durchflusszytometrie eingesetzt. Die Messungen der photosynthetischen Aktivität mittels Pulsamplitudenmodulations-Fluorometrie zeigten, dass die Co-Kultivierung von S. quadricauda mit HH091 zu einer 1,5-fachen Steigerung der optimalen Quantenausbeute von Photosystem II im Vergleich zu mit Antibiotika behandelten Kontroll-Mikroalgen führte. Zusätzliche mikroskopische und fluoreszenzaktivierte Zellsortierungsanalysen bestätigten, dass die Anzahl lebensfähiger und photosynthetisch aktiver Zellen in Gegenwart von HH091 viel höher war als in mit Antibiotika behandelten Kulturen.

(ii) Basierend auf früheren Beobachtungen habe ich ein künstliches Pflanzen-Bakterien-System aus der Mikroalge Micrasterias radians MZCH 672 und dem Bakterienisolat Dyadobacter sp. HH091 etabliert. Mein Ziel war es, die Mikroalgenkultivierung und ihre Symbionten mithilfe verschiedener physiologischer und Omics-basierter Techniken zu untersuchen. Die gleichzeitige Identifizierung und Lokalisierung des mit der Wirtsmikroalge assoziierten Isolats HH091, entweder angehängt oder intrazellulär, wurde mithilfe der Kombination von Fluoreszenzmarkierung und konfokaler Mikroskopie durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass das Bakterienisolat die Zellwand von M. radians MZCH 672 besiedelt und durchdringt. Das Isolat HH091 aus dem Bacteroidota-Stamm steigerte das Mikroalgenwachstum in axenischen Algenkulturen erheblich. Für weitere Fortschritte habe ich das Isolat und seine Wechselwirkung mit der Mikroalge M. radians mithilfe von Transkriptom- und umfangreichen Genomanalysen untersucht. Durch die Genomanalyse von HH091 habe ich Gencluster identifiziert, von denen vorhergesagt wird, dass sie Polysaccharide nutzen und neben dem Typ-IX-Sekretionssystem (T9SS) zusammenarbeiten, um die untersuchte Algen-Bakterien-Verbindung zu beeinflussen. Diese Studien haben zu einem besseren Verständnis darüber geführt, wie Dyadobacter sp. HH091 den T9SS-Mechanismus nutzt, um sich an Mikroalgen anzuheften und in diese einzudringen. Durch die Omics-Analyse wurden T9SS-Gene freigelegt: gldK, gldL, gldM, gldN, sprA, sprE, sprF, sprT, porU und porV. Darüber hinaus habe ich Gene identifiziert, die für die Gleitmotilität und Proteinsekretion entscheidend sind (gldA, gldB, gldD, gldF, gldG, gldH, gldI, gldJ), obwohl sie herkömmlicherweise nicht als T9SS-Komponenten kategorisiert werden. Basierend auf dieser umfangreichen Forschung habe ich das erste Modell für den T9SS-Apparat in Dyadobacter vorgeschlagen.

(iii) Zusammenfassend habe ich einen kurzen Überblick über die Mikroalgen-Mikrobiota und ihre Verwendung gegeben. Mein Ziel war es, das aktuelle Wissen über die gesundheitlichen Vorteile von Mikroalgen und der damit verbundenen Mikrobiota zu teilen. In diesem Kapitel werde ich die aktuellen Einschränkungen diskutieren, die die vollständige Nutzung und Entwicklung von Technologien behindern. Um das Potenzial von Mikroalgen und ihrer Mikrobiota voll auszuschöpfen, kann ein systematischerer Ansatz geschaffen werden, indem aktuelle Einschränkungen angegangen werden. Während Mikroalgen für die Herstellung von Biokraftstoffen gut erforscht sind, stößt ihr Potenzial als Quelle antimikrobieller und präbiotischer Substanzen in letzter Zeit zunehmend auf Interesse. In diesem Rahmen können Mikroalgen Lösungen für die gesellschaftliche Herausforderung bieten, die sich aus dem Mangel an Antibiotika zur Behandlung der wachsenden Zahl antimikrobiell resistenter Bakterien und Pilze im klinischen Umfeld ergibt. Wenn man außerdem bedenkt, dass die meisten Mikroalgen und die damit verbundene Mikrobiota noch unerforscht sind, könnten sie eine faszinierende und lohnende Quelle für neuartige, nachhaltigere antimikrobielle Mittel, alternative Moleküle und Verbindungen sein. Abschließend habe ich dazu beigetragen, die verbleibenden Probleme und Einschränkungen sowie mehrere vielversprechende Forschungspotenziale zu beschreiben, um Perspektiven und zukünftige Aufgaben für die Mikroalgen-Bakterien-Forschung zu verstehen.

Zusammenfassend stellten diese Daten einen wertvollen Beitrag zu unserem Verständnis der Interaktion von Algen und Bakterien dar. Ich habe die für beide Seiten vorteilhafte Beziehung zwischen Bakterien und Algen eingehend untersucht, was auch die Konkurrenz innerhalb des Algenmikrobioms mit sich bringt. Diese Doktorarbeit nutzte experimentelle und transkriptombasierte Erkenntnisse, um zu untersuchen, wie symbiotische Bakterien mit Mikroalgen interagieren und deren Dominanz ermöglichen.