Fakultät für
Lebenswissenschaften
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Fakultät für Lebenswissenschaften
Februar 2014
Nur gemeinsam sind sie stark

Andrea Nussbaumer

Riesenröhrenwürmer können nur mit und durch ihre Symbionten Endoriftia existieren. Wie genau die eng verwobene Biochemie der beiden funktioniert, erforscht die Meeresbiologin Andrea Nussbaumer.

Die Meeresbiologin scheint etwas übrig zu haben für Extreme, zumindest, was ihre Feldforschung anbelangt. Wenn man Andrea Nussbaumer fragt, wo sie ihre Forschungsobjekte ausfindig macht, fallen Begriffe wie „Ostpazifischer Rücken“, „Tiefsee“ und „80 Grad heißes Wasser. Das heiße Wasser ist aber gar nicht das Hauptproblem. Es ist die Tiefe. Sie finden sich auf 2500 Meter im Meer, und man muss mit einem U-Boot runtertauchen.“


Andrea Nussbaumer im U-Boot in 2500 m Tiefe.

„Sie“ – das sind Riesenröhrenwürmer mit dem Namen Riftia pachyptila, die am Meeresboden der Tiefsee fest sitzen, bis zu eineinhalb Meter lang werden und in einer Röhre an Hydrothermalquellen leben. „Ein ganz spezieller Lebensraum“, sagt Nussbaumer. „Nur ganz wenige Arten können dort leben, aber die in hoher Dichte. Das Wasser strömt bis zu 400 Grad heiß aus den Spalten.“ Dort, wo die Würmer leben, hat es noch immer bis zu 80 Grad.

Was die Wissenschafterin vom Departement für Limnologie und Bio-Ozeanographie der Universität Wien interessiert, ist die Symbiose zwischen den Riesenröhrenwürmern und ihren Endosymbionten. „Die nennt man Candidatus Endoriftia persephone. Candidatus deshalb, weil die Bakterien nicht kultivierbar sind.“ Die Biologen wissen schon einiges über diese Symbiose. „Mir geht es nun darum, auf molekularer Ebene zu klären, wie die beiden zusammenleben. Wie kommen sie zusammen? Wie funktioniert ihre Interaktion, wenn die Symbionten im Wurm sind. Die Symbiose ist deshalb so speziell, weil sich der erwachsene Wurm ausschließlich von seinen Symbionten ernährt. Er hat keinen Mund, keinen Darm, keinen Anus, sondern nur ein Organ, Trophosom genannt. In diesem großen Sack leben die Symbionten“, erklärt Nussbaumer.

Wurm und Symbiont wachsen gemeinsam auf. „Die Würmer setzen sich, wenn sie ganz klein sind, an einer bestimmten Stelle fest und müssen die Bakterien aufnehmen. Das ist eine weitere Besonderheit dieser Symbiose: Die Eltern-Generation gibt die Bakterien nicht an den Nachwuchs weiter. Jede neue Generation muss die Bakterien neu aufnehmen. Ohne die ist der Wurm nämlich nicht lebensfähig“, sagt die Meeresbiologin und will herausfinden, wie verwoben die Biochemie von Riftia pachyptila und Endoriftia ist.


Riftia pachyptila Aggregation. Foto © Monika Bright.

In ihrem FWF-Projekt-Antrag („Transmission, Erhaltung und Zellzyklus bei der Endoriftia Symbiose“) liest sich das dann so:
Die Symbionten werden nicht an die Nachkommen weitergegeben, sondern in jeder Wirtsgeneration neu aus der Umwelt aufgenommen. Für diese horizontale Transmission von Symbionten sind spezielle Erkennungs- und Anheftungsmechanismen nötig. Der Infektionsprozess und das Zusammenleben der Partner werden durch Mechanismen koordiniert, die bis jetzt nicht bekannt sind. Weiters wissen wir nicht, wie die Symbionten und/oder der Wirt jene molekularen Prozesse steuern, die notwendig sind, um die Aufnahme der Symbionten aus der Umwelt, die Migration der Symbionten bis zum Mesenterium des Wirtes, die Entwicklung der Symbionten im Trophosom und schließlich die Aufrechterhaltung der Symbiose und den Zellzyklus innerhalb der Bakteriozytenzellen des Wirts zu ermöglichen.

Teure Forschung Um dieses Geheimnis zu lüften, begibt sich Nussbaumer, wann immer sie kann, aufs Meer. Zuletzt war sie 2011 „links von Mexiko“, wie sie scherzt. Heuer im Herbst wird es wieder eine Ausfahrt geben, „mit einem amerikanischen Forschungsschiff. Wir werden meistens eingeladen“. Darüber ist Nussbaumer sehr froh, denn es ist nicht ganz billig, an ihre Würmer ranzukommen. „Der FWF finanziert keine Schiffszeiten mehr, daher sind wir darauf angewiesen, dass wir von den US-Kollegen eingeladen werden.“

Angekommen in Mexiko, fährt man mit einem Forschungsschiff etwa 1000 Meilen in den Pazifik raus. „Wir sammeln, sammeln, sammeln, was wir kriegen können, und bringen Würmer rauf, die seziert werden. Sie werden fixiert oder eingefroren und in kleinen Portionen nach Wien gebracht.“ Nussbaumer hat es auf das genetische Material, auf die Proteine und das Gewebe abgesehen. „Unsere Spezialität ist die Kombination aus immun-histologischen Untersuchungen mit Gewebeschnitten. Damit konnten wir eine Nische besetzen.“ Dieses Spezialwissen ist auch der Grund, warum Andrea Nussbaumer und ihre Kollegin Monika Bright immer wieder von amerikanischen Kollegen eingeladen werden.


Andrea Nussbaumer und Monika Bright beim Würmer sammeln auf
dem amerikanischen Forschungsschiff RV Atlantis.

Zurück im Labor in Wien, hofft Nussbaumer herauszufinden, wie der Erkennungsmechanismus der beiden abläuft: „Wie die kleinen Würmer erkennen, welche Bakterien für sie die richtigen sind. Wie sie zusammenkommen. Weiters, wie der Zellzyklus der beiden koordiniert wird, denn beide wachsen – und das gemeinsam. Schließlich können sich die Bakterien nicht unendlich teilen, und die Wurmzellen kommen nicht mit“, erklärt die Wissenschafterin.

Dazu dringt sie tief in die Biochemie beider ein: Welche Proteine sind wann exprimiert, fragt sie und hat unterschiedliche Entwicklungsstadien – kleine bis große – und unterschiedliche Regionen des Trophosoms. „Das wird verglichen. Ich untersuche Proteine mit Immun-Histochemie auf verschiedenen Schnitten – lichtmikroskopisch und elektronenmikroskopisch. Ich mache das mit speziellen Antikörpern, die ich habe anfertigen lassen.“

Aus den bereits publizierten metagenomischen und proteomischen Datensätzen will sie etwa 20 Proteine auswählen, die vermutlich an der Symbiont-Wirts-Interaktion beteiligt sind. „Ich werde mich auf symbiontische Proteine konzentrieren, die in die Mobilität der Bakterien (wichtig, um den Wirt zu erreichen und durch die Gewebsschichten des Wirts zu migrieren, Anmerk.), in Chemotaxis und Anheftungsmechanismen (unerlässlich, um den Wirt zu finden und sich an ihn anzuheften, Anmerk.) und in den Zellzyklus (DNA Synthese und Zellteilung, Anmerk.) involviert sind.“ Die folgenden Wirtsstadien will sie nach exprimierten Genen untersuchen: das Larvenstadium während der Metamorphose; das junge Juvenilstadium mit Trophosom in Entwicklung; das juvenile Stadium mit einlappigem Trophosom und schließlich das adulte Stadium mit mehrlappigem Trophosom.

Am Ende der Studie sollen wichtige Erkenntnisse zum Riftia Modellsystem im Speziellen und zu mikrobiellen Symbiosen im Allgemeinen stehen, hofft Nussbaumer. Durch die Verknüpfung von biologischer und medizinischer Forschung können darüber hinaus neue Erkenntnisse zu vielfach vorkommenden Signalwegen von nützlichen und pathogenen Bakterien gewonnen werden.

Im Reich der wichtigen Kleinen

Dagmar Wöbken

Mikroorganismen in Böden sind eigene – kaum erforschte – Universen. Die Mikrobiologin Dagmar Woebken möchte das ändern und interessiert sich besonders für Stickstoff-Fixierer.

Dagmar Woebken rückt aus. Einmal in den Wienerwald bei Klausenleopoldsdorf, dann wieder einfach in den Lainzer Tiergarten. Weil es Spaß macht und ihrer Forschung dient. Da wie dort „stechen wir mit Stahlrohren ganz viele Kerne, denn der Boden ist sehr divers. Sonst sind die Proben nicht repräsentativ für das untersuchte Ökosystem“, erklärt die Arbeitsgruppenleiterin in der Division für Mikrobielle Ökologie am Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung der Universität Wien. Woebken wühlt im Boden, weil sie mehr über die Funktion von Mikroorganismen wissen will. „Die globalen Stoffkreisläufe sind von Mikroorganismen abhängig“, sagt die Forscherin, die als Postdoc nach Kalifornien ging, wo sie im Rahmen eines großen Kooperationsprojekts mit der Stanford University die Funktion von Mikroorganismen in komplexen Ökosystemen untersucht hat. „Ich habe mich in Kalifornien mit mikrobiellen Matten beschäftigt.“ Dort, an der Küste in einer Marschregion, fand sie zentimeterdicke Strukturen, die zum großen Teil aus Mikroorganismen bestehen – „eine Spielwiese für Mikrobiologen“.


Probennahme im Lainzer Tiergarten – Florian Höggerl und Roey Angel
arbeiten in Woebkens Team am Projekt „Funktionelle Analyse von
nicht-symbiontischen Stickstoff-Fixierern im Boden“.

Woebken interessierte sich vor allem dafür, wer in diesen Matten Stickstoff fixiert. „Viele Forscher haben sich die DNA angeschaut – ob die Bakterien die genetische Ausstattung dafür haben. Das war mir zu wenig, weil das nur etwas über die Möglichkeit aussagt, Stickstoff zu fixieren. Ob sie das aber auch tatsächlich tun, das kann man mit einer genetischen Analyse nicht sagen.“ Mit dem NanoSIMS aber schon. „Ein ganz beeindruckendes Gerät“, wie Woebken sagt. „Wenn man ein Stück der Matte in ein Glasgefäß gibt und ein seltenes („schweres“) Stickstoff-Gas (N2) hinzufügt, kann man nachweisen, welche Mikroorganismen Stickstoff fixiert haben. Das ist eine ganz spannende Methode.“ Warum man das erforschen muss? „Weil wir über die Funktion von Mikroorganismen in Ökosystemen viel zu wenig wissen“, sagt die Mikrobiologin. „Lange wurden sie nur isoliert in Kulturen erforscht, aber das sagt zum Beispiel nichts darüber aus, wer die wichtigen Mikroorganismen für die Stickstofffixierung sind. Dies müssen wir direkt im Ökosystem untersuchen.“

Als Gruppenleiterin an der Universität Wien wollte sich die Wissenschafterin einem Ökosystem zuwenden, das globale Bedeutung hat. „Deshalb interessiere ich mich jetzt für terrestrische Ökosysteme und die Funktion der Mikroorganismen dort.“ Ihre Arbeit findet oft in Zusammenarbeit mit Prof. Andreas Richter von der Division für Terrestrische Ökosystemforschung statt. Doch im Boden ist alles immer etwas komplizierter. Die Stickstofffixierung etwa. „Die ist im Boden noch viel weniger untersucht als zum Beispiel im Meer, obwohl Stickstoff oft ein limitierender Faktor für Wachstum ist“, sagt Woebken. Womit wir wieder bei ihren Ausflügen in den Wienerwald, den Lainzer Tiergarten und ihrem aktuellen FWF-Projekt „Funktionelle Analyse von nicht-symbiontischen Stickstoff-Fixierern im Boden“ wären.

 
Die Boden-Mikroorganismen werden angefärbt und im Epifluoreszenzmikroskop identifiziert.

Woebkens Team bringt die Bodenproben – Sie erinnern sich: die gestochenen Kerne - ins Labor, wo das Material gesiebt wird, um die Proben zu homogenisieren. Schließlich wird ein Teil in Glasgefäße gegeben und mit dem seltenen schweren N2 angereichert. Dann kontrolliert sie mit Hilfe des NanoSIMS, das an der Universität Wien von Arno Schintlmeister betrieben wird, ob die Mikroorganismen den schweren Stickstoff eingebaut haben. Natürlich wird auch auf genetischer Ebene überprüft, welche Mikroorganismen überhaupt die theoretische Möglichkeit haben, Stickstoff zu fixieren, erkärt Woebken. „Und welche die entsprechenden Gene exprimiert haben.“


Mit Hilfe des NanoSIMS wird untersucht, welche Zellen Stickstoff (N2)
fixiert haben. Zellen, die sich farblich vom schwarzen Hintergrund
abheben, haben das schwere Stickstoffgas in ihre Biomasse eingebaut.

Die Stickstofffixierung kostet die Mikroorganismen unheimlich viel Energie. Deshalb brauchen sie wahrscheinlich organische Kohlenstoffverbindungen als Energiequelle, damit sie Stickstoff fixieren können, erklärt die Mikrobiologin. „Daher wollen wir uns unterschiedliche Standorte anschauen – etwa Wald- oder Grasland. Die Kohlenstoffverbindungen, da wie dort, sind unterschiedlich. Im Wald sind es wahrscheinlich die Blätter. Die Zellulose in den Blättern wird abgebaut und kommt irgendwann den Stickstoff-Fixierern als Energiequelle zugute.“ Ein Prozess, der in einem anderen Projekt in Woebkens Gruppe untersucht wird.

Im Grasland – so ihre Hypothese – geht es um leicht veratembaren Kohlenstoff, etwa Wurzelexsudate: „Wir vermuten daher, dass die mikrobielle Gemeinschaft, die hier Stickstoff fixiert, ganz anders ist, als die im Wald. Das testen wir.“ Zum Beispiel in Proben vom LFZ Raumberg-Gumpenstein, wo seit den 1950er-Jahren mehrere Langzeit-Experimente laufen. „Der Boden des Graslandes dort wird gedüngt, nicht gedüngt - einmal mehr, einmal weniger. Hier kann man sich über ganz lange Zeiträume anschauen, wie sich mikrobielle Gemeinschaften verändern.“ Und das tut sie.

Besonders oft aber rücken sie und ihr Team in den Wienerwald und den Lainzer Tiergarten aus. Diese liegen nahe, und so können die Mikrobiologen kontrollieren, wie sich die Mikroorganismen mit den Jahreszeiten verändern. Wissen, das dringend gebraucht wird, denn „der terrestrische Stickstoffkreislauf ist von essentieller Bedeutung für die Biosphäre der Erde und ist verknüpft durch die Aktivität von Mikroorganismen. Es ist von großer Wichtigkeit, die Mikroorganismen zu verstehen, die das terrestrische Ökosystem durch Stickstofffixierung mit biologisch verfügbarem Stickstoff (N) versorgen, da dieser oft ein limitierender Faktor für die Primärproduktion darstellt. Nicht-symbiontische, freilebende Mikroorganismen können beträchtlich zur N2-Fixierung beitragen. Allerdings ist unser Wissen über diese Mikroorganismen stark limitiert, da sich nur ein Bruchteil von ihnen kultivieren lässt“, wie Dagmar Woebken in ihrem Projekt-Antrag ausführt und täglich daran arbeitet, dass das nicht so bleibt.

Tiere mit einem speziellen Status

Alen Kristof

Alen Kristof, Zoologe am Department für Integrative Zoologie, spürt ganz besonderen Tieren nach: den Spritzwürmern. Was erwachsene Sipuncula so besonders macht, ist die fehlende Segmentierung.

Sommer 2013, Wladiwostok. Alen Kristof hat sich bei seinen Kooperationspartnern der Meeresbiologischen Station angekündigt. Die nächsten acht Wochen verbringt der junge Forscher vom Department für Integrative Zoologie der Universität Wien hier am japanischen Meer, umgeben von praktisch nur Natur, um seine Forschungsobjekte einzusammeln: Sipunkuliden, auf gut deutsch Spritzwürmer.


Meeresbiologische Station „Vostok“ des Zhirmunsky Instituts für Meeresbiologie, 
etwa 150 km nördlich von Wladiwostok gelegen.

Dazu müssen die Taucher der Station runter auf fünf bis acht Meter Tiefe: „Ich erkläre meinen Kooperationspartnern, was sie holen sollen - viele zusammenhängende Muscheln.“ Dazwischen findet Kristof seine Objekte der Begierde. „Die Spritzwürmer nutzen die Fläche zwischen den Muscheln, um geschützt zu sein“, erklärt er. „Sie filtern das Wasser und ernähren sich von den Partikeln im Wasser oder fressen Substrat vom Meeresboden. So, wie es Regenwürmer in den Bodenschichten der Erde auch machen. Es gibt etwa 150 Arten in unterschiedlichen Größen. Die, mit denen ich arbeite, sind erwachsen etwa 15 Zentimeter groß.“ Die Tiere sind nicht segmentiert. Der schlanke rüsselartige Vorderkörper kann in den Hinterleib eingezogen werden. Am Ende des Vorderkörpers sitzt ein Kranz mit Tentakeln, mit denen die Spritzwürmer ihre Nahrung aufnehmen.


Spritzwurm Themiste pyroides

Klingt, als wären die Spritzwürmer gut erforscht. Doch die verwandtschaftliche Zuordnung der Tiere war bis vor kurzem vollkommen unklar. Bis weit in die 1960er Jahre wurden sie beispielsweise mit Stachelhäutern in Verbindung gebracht. Eine andere Deutung stellte Beziehungen zu Ringelwürmern her, wobei hier sowohl eine Art Vorläuferstatus der Spritzwürmer, als auch ein abgeleiteter Status (also sekundärer Verlust einer Körpersegmentierung, ausgehend von dem ringelwurmartigen Ausgangsstadium) postuliert wurde. „Mittlerweile haben wir viele Ergebnisse, die darauf hindeuten, dass sie tatsächlich zu den Ringelwürmern gehören“, sagt Kristof. Unter anderem auch seine Doktorarbeit.

Die letztgenannte Interpretation wird neuerdings durch molekulargenetische Studien stark unterstützt. Alen Kristof konnte auf die molekularen Forschungsergebnisse von Kollegen aufbauen und stellte fest, dass das Merkmal der Segmentierung beim erwachsenen Wurm zwar verloren gegangen, in der Entwicklung aber noch vorhanden ist. „Das wollen wir jetzt molekular nochmals untersuchen. Wir wollen bestimmte Gene bei den Spritzwürmern untersuchen - jene, die bei segmentierten Tieren dafür verantwortlich sind, die Segmente aufzubauen.“

Gleich ist nicht gleich Der Zoologe an der Fakultät für Lebenswissenschaften möchte klären, ob die Entwicklung gleich abläuft, wie bei ähnlichen Tieren. „Wenn nicht, zeigt es – wieder einmal -, dass gleiche Gene in verschiedene Tieren doch nicht das Gleiche machen“ sagt er.

Kristof spricht ein Problem an: „Wissenschafter, die an Modellorganismen wie Zebrafisch oder Drosophila arbeiten, verallgemeinern ihre Forschungsergebnisse gerne.“ Sie entschlüsseln an ihrem Modelltier das Gen, das zum Beispiel für die Kopfentwicklung zuständig ist und schließen, dass es immer und überall für die Kopfentwicklung zuständig sei. Weil Fliege und Fisch so weit entfernt verwandt sind, muss der gemeinsame Vorfahre der beiden auch einen Kopf gehabt haben. Eigentlich sei diese Schlussfolgerung unzulässig.

Daher sei es so wichtig, auch an anderen Tieren zu forschen, nicht nur an Modellorganismen. „Dadurch bekommt man ein besseres Bild.“


Spritzwürmer im Labor

Zurück in Wladiwostok: Alen Kristof bringt seine Forschungsobjekte ins Labor und hält sie im Meerwasser, „das ich täglich wechsle“. Und wartet. Langsam erwärmt sich das Wasser und die Tiere laichen ab. Das kann dauern, „daher muss ich längere Zeit dortbleiben“. Der Zoologe muss auch ständig „Brutpflege“ betreiben und abgestorbene Eier entfernen, „weil sonst die Wasserqualität leidet. Ich brauche viele Tiere für meine Forschungen, um die RNA zu bekommen, mit der ich arbeite und in der ich meine Gene finde.“ Mit zehn Eiern pro Stadium ist da nichts, „da brauche ich schon 1000 in unterschiedlichen Stadien“. Dann geht es zurück nach Wien und „ich schicke die RNA zu einer Firma, die sie sequenziert“. Später geht es ans Vergleichen der Gene. Die Tiere behält sich Kristof für seine Laborarbeit. Er liebe die Abwechslung von Feld-, Labor- und Schreibarbeit, sagt er. „Sonst wäre mir langweilig.“

Vielleicht ist das auch der Grund, warum sich Alen Kristof für Sipuncula entschieden hat. „Ich habe lange mit Schnecken gearbeitet“ erzählt er, „ging dann nach Kopenhagen und hatte mehrere Tiere zur Auswahl. Ich habe mich für die Spritzwürmer entschieden, weil sie einen so speziellen Status haben und man lange nicht genau wusste, wo sie hingehören.“ Dank Kristof lichtet sich das Dunkel jetzt langsam. „Und das ist, denke ich, auch der Grund, warum das FWF-Projekt (Lise-Meitner Programm M1523 Molekulare Mechanismen bei der Sipunkuliden Morphogenese) gleich genehmigt wurde.“

Über Anregungen freuen sich:
Vizedekanin Univ. Prof. Dr. Verena Dirsch (verena.dirsch@univie.ac.at)
Mag. Susanne Mauthner-Weber (s-m-w@gmx.at)