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Titel: Membrane lipids of the (hyper)thermophilic, methanogenic archaea Methanothermobacter marburgensis, Methanocaldococcus villosus and Methanothermococcus okinawensis and their geobiological and astrobiological relevance
Sonstige Titel: Membranlipide der (hyper)thermophilen, methanogenen Archaeen Methanothermobacter marburgensis, Methanocaldococcus villosus und Methanothermococcus okinawensis und ihre geobiologische und astrobiologische Relevanz
Sprache: Englisch
Autor/Autorin: Baumann, Lydia
Schlagwörter: Biomarker; Archaeen; Methanogene; Geobiologie; Astrobiologie; Biomarkers; Archaea; Methanogens; Geobiology; Astrobiology
Erscheinungsdatum: 2020
Tag der mündlichen Prüfung: 2020-06-16
Zusammenfassung: 
The membrane core lipid and the intact polar lipid inventory of Methanocaldococcus villosus (DSM 22612T) and Methanothermococcus okinawensis (DSM 14208T), two strains of (hyper)thermophilic, methanogenic archaea isolated from deep-sea hydrothermal vents, is described here for the first time. Both strains reveal abundant mono- and diglycosidic head groups, with M. okinawensis also having minor phosphoglycosidic head groups. They exhibit an identical core lipid inventory, but can be distinguished by the different relative proportions of core lipids produced. The by far most abundant lipids are the diether lipids archaeol and macrocyclic archaeol. The latter is most likely the most specific membrane lipid for these archaea. A novelty was the detection of two isomers of GMGT-0a, which have never been detected in any organism before. GMGTs and GTGTs have not been found previously in any species of these two genera.

M. villosus and M. okinawensis were not only cultured under their optimal conditions. The two strains and the thermophilic Methanothermobacter marburgensis (DSM 2133T), a methanogen isolated from anaerobic sewage sludge, were grown under varying temperature and nutrient supply. M. okinawensis was also cultured under varying concentrations of substances, which are usually regarded as inhibitors for life: ammonium chloride, formaldehyde, and methanol. These three potential inhibitors have been found in the plume of Saturn’s icy moon Enceladus. After cultivation with these inhibitors, core lipids and amino acids of M. okinawensis were analyzed to find biomarker patterns, which could be useful not only to study life on Earth, but also for the search for extraterrestrial life in the Solar System. Depending on the amount of ammonium chloride, formaldehyde, and methanol in the growth medium M. okinawensis reveals different patterns of growth, lipid production, and amino acid excretion. Ammonium chloride and formaldehyde had a strong impact on these parameters, while methanol did not markedly affect them.

When exposed to varying temperatures, volumes (25 mL, 50 mL, or 75 mL in ~120 mL serum bottles), and composition of liquid medium, or gas exchange frequency, M. marburgensis, M. villosus, and M. okinawensis also adapted their core lipid compositions. M. marburgensis has a different core lipid inventory than the more closely related M. villosus and M. okinawensis, revealing no macrocyclic archaeol, but instead GDGTs and GMGTs with additional methylations in their isoprenoid chains. Nevertheless, the lipid response to varying growth conditions is similar in all three organisms. Temperature had the strongest effect on lipid composition in all three strains. M. villosus showed the overall weakest response of lipid patterns to changing culture parameters. In contrast, M. okinawensis revealed the strongest and clearest response, with archaeol and GTGT-0a being most abundant at 50°C and 25 mL of liquid medium, and macrocyclic archaeol and the GMGTs being most abundant at 60°C and 75 mL. Except for macrocyclic archaeol, M. marburgensis showed a similar response, and in M. villosus macrocylic archaeol and the GMGTs are more abundant at 80°C than at 65°C. In all three strains, those lipids, which are considered more specific to these methanogens and considered to build up more rigid membranes, namely macrocyclic archaeol, certain GDGTs and GMGTs are more abundant at or slightly below temperature optimum. On the other hand, the comparably unspecific and supposedly less rigidifying lipids archaeol and GTGT-0a have their highest abundance about 15°C below the optimum temperature and at 25 mL of liquid medium.

The outcomes of this thesis might improve our understanding of the adaptations of the cell membrane of presumably primordial life forms to environmental changes and might complement the biomarker concept for the terrestrial, and perhaps, the extraterrestrial application.

Das Inventar an Membran-Core-Lipiden und intakten polaren Lipiden von Methanocaldococcus villosus (DSM 22612T) und Methanothermococcus okinawensis (DSM 14208T), zwei Stämmen (hyper)thermophiler, methanogener Archaeen, die von Hydrothermalquellen in der Tiefsee isoliert wurden, wird hier zum ersten Mal beschrieben. Beide Stämme weisen hauptsächlich mono- und diglycosidische Kopfgruppen auf, wobei M. okinawensis zudem geringfügig phosphoglycosidische Kopfgruppen beinhaltet. Sie haben dasselbe Inventar an Core-Lipiden, können aber voneinander unterschieden werden durch die unterschiedlichen relativen Anteile der Core-Lipide. Die mit Abstand häufigsten Lipide sind die Dietherlipide Archaeol und makrozyklisches Archaeol. Letzteres ist höchstwahrscheinlich das spezifischte Membranlipid dieser Archaeen. Völlig neu war der Nachweis von zwei Isomeren von GMGT-0a, die bisher noch in keinem anderen Organismus gefunden wurden. GMGTs und GTGTs wurden vor dieser Arbeit noch in keiner anderen Spezies dieser beiden Gattungen nachgewiesen.

M. villosus und M. okinawensis wurden nicht nur unter ihren Optimalbedingungen kultiviert. Die beiden Stämme und der thermophile Methanothermobacter marburgensis (DSM 2133T), ein Methanogener, der aus anaerobem Klärschlamm isoliert wurde, wurden variierender Temperatur und Nährstoffzufuhr ausgesetzt. M. okinawensis wurde außerdem unter variierenden Konzentrationen von Substanzen kultiviert, die für gewöhnlich als Inhibitoren für Lebewesen angesehen werden: Ammoniumchlorid, Formaldehyd und Methanol. Diese drei potentiellen Inhibitoren wurden im Plume von Saturns Eismond Enceladus nachgewiesen. Nach der Kultivierung mit diesen drei Inhibitoren wurden die Core-Lipide und Aminosäuren von M. okinawensis untersucht um Muster der Biomarker zu finden, die nützlich sein könnten, nicht nur um das Leben auf der Erde zu studieren, sondern auch für die Suche nach extraterrestrischem Leben im Sonnensystem. In Abhängigkeit von der Menge an Ammoniumchlorid, Formaldehyd und Methanol im Wachstumsmedium zeigte M. okinawensis unterschiedliche Muster in Wachstumsrate, Lipidproduktion und Aminosäurenexkretion. Ammoniumchlorid und Formaldehyd hatten einen starken Effekt auf die genannten Parameter, während Methanol sie nicht merklich beeinflusste.

Wenn sie variierenden Temperaturen, Volumina (25 mL, 50 mL, oder 75 mL in ~120 mL Serumflaschen) und Zusammensetzungen des Flüssigmediums, oder unterschiedlichen Frequenzen des Gasaustauschs ausgesetzt waren, passten M. marburgensis, M. villosus, und M. okinawensis ihre Core-Lipid-Zusammensetzungen an. M. marburgensis hat ein anderes Core-Lipid-Inventar als die beiden näher miteinander verwandten M. villosus und M. okinawensis. M. marburgensis weist kein makrozyklisches Archaeol auf, stattdessen produziert es GDGTs und GMGTs mit zusätzlichen Methylgruppen in deren Isoprenoidketten. Nichtsdestotrotz ist die Reaktion auf die variierenden Wachstumsbedingungen ähnlich in allen drei Organismen. Temperatur hatte den stärksten Effekt auf die Lipidzusammensetzung in allen drei Stämmen. M. villosus zeigte insgesamt die schwächste Reaktion der Lipidmuster auf die sich ändernden Kultivierungsparameter. Im Gegensatz dazu zeigte M. okinawensis die stärksten und eindeutigsten Reaktionen. Archaeol und GTGT-0a sind am häufigsten bei 50°C und 25 mL Flüssigmedium, und makrozyklisches Archaeol und die GMGTs sind am häufigsten bei 60°C und 75 mL. Außer beim makrozyklischen Archaeol zeigte M. marburgensis sehr ähnliche Reaktionen, und in M. villosus waren makrozyklisches Archaeol und die GMGTs häufiger bei 80°C verglichen zu 65°C. In allen drei Stämmen waren jene Lipide, die als spezifischer für diese Methanogenen betrachtet werden, und jene, die als solche gelten, die stabilere Membranen aufbauen, nämlich makrozyklisches Archaeol, bestimmte GDGTs und GMGTs, häufiger beim oder etwas unter dem Temperaturoptimum. Andererseits waren die vergleichsweise unspezifischen und wahrscheinlich weniger membranstabilisierenden Lipide Archaeol und GTGT-0a am häufigsten bei ca. 15°C unter dem Temperaturoptimum und bei 25 mL Flüssigmedium.

Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit könnten das Verständnis verbessern von den Anpassungen der Zellmembran vermutlich ursprünglicher Lebensformen an Umweltveränderungen und könnten das Biomarkerkonzept ergänzen, für die terrestrische, und möglicherweise die extraterrestrische, Anwendung.
URI: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/8408
URN: urn:nbn:de:gbv:18-104976
Dokumenttyp: Dissertation
Hauptberichter: Peckmann, Jörn (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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