Volltext-Downloads (blau) und Frontdoor-Views (grau)

Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-opus-46323

Functional Analysis of Hydrothermal Vent Microbial Communities

  • Crab Spa, is a stable diffuse-flow hydrothermal vent site located at the 9°N hydrothermal vent field on the East Pacific Rise (EPR). Remarkably, the physicochemical conditions at Crab Spa have remained largely constant since its discovery in 2007 providing a uniquely stable environment in which a well-adapted and stable microbial community has evolved. This microbial community is dominated by the class Campylobacteria, accounting for up to 90% of the community. Little is known, however, about the metabolic pathways that allow the Campylobacteria to dominate the bacterial community at Crab Spa. To address this fundamental question, a two-pronged approach was taken consisting of first determining the dominant metabolic pathways in situ, and second to study those same metabolic pathways and their controls in more detail under defined conditions in vitro in the model campylobacterium Sulfurimonas denitrificans. Metagenomic analysis of two environmental samples provided the blueprint to determine the metaproteomic profile of the Crab Spa microbial community. This allowed to identify the dominant organisms and their major metabolic pathways sustaining the microbial community at Crab Spa. About 90% of the genes for transcription and protein synthesis of the metagenome sequences belonged to just three genera of Campylobacteria: Sulfurimonas, Sulfurovum and Arcobacter. The metaproteomic analyses confirmed that the active microbial community was dominated by Campylobacteria, carrying out carbon fixation via the reductive TCA cycle predominantly fueled by the oxidation of sulfide and sulfur with nitrate and oxygen. The analysis further revealed that pathways might be partioned between different members of the bacterial community. Proteins involved in electron acceptor–related pathways, in particular denitrification, accounted for up to 20% of the whole metaproteome, which could be seen as an adaptation to the scarcity of electron acceptors at Crab Spa. Conversely, proteins related to electron donor–associated metabolic pathways accounted for less than 0.1% of the metaproteome, possibly in response to the high concentration of the electron donor. To follow up on this hypothesis, chemostat experiments with S. denitrificans were performed under either electron-acceptor or -donor limitation. These experiments confirmed that electron-acceptor limitation lead to the elevated expression of electron-acceptor proteins. However, a higher expression of electron-donor proteins was not observed under electron-donor limitation. Besides hydrogen sulfide, elemental sulfur has the potential to serve as an important electron donor at Crab Spa. However, up to know no information was available on how Campylobacteria might be able to utilize elemental sulfur. For this, S. denitrificans grew with either thiosulfate or cyclooctasulfur (S8) as sole electron donors and its transcriptome and proteome was compared. The results revealed a differential expression of the SOX sulfur oxidation pathway (soxCDYZ and soxABXYZ) in response to the two different sulfur compounds. Based on these findings, a model for the oxidation of cylcooctasulfur was proposed that also applies to other sulfur-oxidizing Campylobacteria and helps in the interpretation of environmental metatranscriptomic and –proteomic data (Götz, Pjevac, et al., 2018; Lahme et al., 2020). The presented results help to better understand the microbial processes at hydrothermal vents.
  • Crab Spa ist eine stabile hydrothermale Quelle und ist Teil des 9 ° N Ost-Pazifischen Rückens (EPR). Bemerkenswerterweise sind die physikochemischen Bedingungen in Crab Spa seit seiner Entdeckung im Jahr 2007 weitgehend konstant geblieben und bieten eine einzigartig stabile Umgebung, in der sich eine gut angepasste und stabile mikrobielle Gemeinschaft entwickelt hat. Diese mikrobielle Gemeinschaft wird von der Klasse der Campylobacteria dominiert, die bis zu 90% der Gemeinschaft ausmacht. Über die Stoffwechselwege, die es den Campylobacteria ermöglichen, die Bakteriengemeinschaft im Crab Spa zu dominieren, ist jedoch wenig bekannt. Um diese grundlegende Frage zu beantworten, wurde ein zweigleisiger Ansatz gewählt, der darin bestand, erstens die dominanten Stoffwechselwege in situ zu bestimmen und zweitens dieselben Stoffwechselwege und ihre Kontrollen unter definierten Bedingungen in vitro im Modell-Campylobacterium Sulfurimonas denitrificans genauer zu untersuchen. Die metagenomische Analyse von zwei Umweltproben lieferte den Entwurf zur Bestimmung des metaproteomischen Profils der mikrobiellen Gemeinschaft von Crab Spa. Damit konnten die dominanten Organismen und deren wichtigste Stoffwechselwege identifiziert werden, welche die mikrobielle Gemeinschaft von Crab Spa antreiben. Etwa 90% der Gene für die Transkription und Proteinsynthese der Metagenomsequenzen gehörten nur drei Gattungen von Campylobacteria an: Sulfurimonas, Sulfurovum und Arcobacter. Die metaproteomischen Analysen bestätigten, dass die aktive mikrobielle Gemeinschaft von Campylobakterien dominiert wurde, die eine Kohlenstofffixierung über den reduktiven TCA-Zyklus durchführten, der hauptsächlich durch die Oxidation von Schwefelwasserstoff und Schwefel mit Nitrat und Sauerstoff angetrieben wurde. Die Analyse ergab, dass die Wege zwischen verschiedenen Mitgliedern der Bakterien aufgeteilt sein könnten. Die Proteine, die an Elektronenakzeptor-assoziierten Stoffwechselwegen, insbesondere der Denitrifikation, beteiligt sind, machten bis zu 20% des gesamten Metaproteoms aus, was als Anpassung an die Knappheit an Elektronenakzeptoren in Crab Spa gesehen werden könnte. Umgekehrt machten Proteine, die in Elektronendonor-assoziierten Stoffwechselwegen involviert sind, weniger als 0,1% des Metaproteoms aus, was mit der hohen Konzentration des Elektronendonors zu tun haben könnte. Um dieser Hypothese nachzugehen, wurden Chemostat-Experimente mit S. denitrificans entweder unter Elektronenakzeptor- oder -donor-Limitierung durchgeführt. Diese Experimente bestätigten, dass die Elektronenakzeptor Limitierung zu einer erhöhten Expression von Elektronenakzeptor-Proteinen führt. Eine höhere Expression von Elektronendonor-Proteinen wurde jedoch unter Elektronendonor Limitierung nicht beobachtet. Neben Schwefelwasserstoff kann elementarer Schwefel im Crab Spa als wichtiger Elektronendonor dienen. Bisher waren jedoch keine Informationen darüber verfügbar, wie Campylobacteria elementaren Schwefel nutzen könnten. Zu diesem Zweck wurde S. denitrificans entweder mit Thiosulfat oder Cyclooctasulfur (S8) als alleinigen Elektronendonoren gezogen und das Transkriptom mit dem Proteom verglichen. Die Ergebnisse zeigten eine unterschiedliche Expression des SOX-Schwefeloxidationsweges (soxCDYZ und soxABXYZ) als Reaktion auf die beiden unterschiedlichen Schwefelverbindungen. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein Modell für die Oxidation von Cylcooctasulfur vorgeschlagen, dass auch für andere schwefeloxidierende Campylobacteria gilt und bei der Interpretation von metatranskriptomischen und proteomischen Umweltdaten hilft (Götz, Pjevac, et al., 2018; Lahme et al., 2020). Insgesamt tragen die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse zu einem besseren Verständnis der an Hydrothermalquellen ablaufenden mikrobiellen Prozesse bei.

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar

Statistics

frontdoor_oas
Metadaten
Author: Florian Goetz
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-46323
Title Additional (English):Functional Analysis of Hydrothermal Vent Microbial Communities
Referee:Prof. Dr. Thomas Schweder, Prof. Dr. Costa Vetriani
Advisor:Prof. Dr. Thomas Schweder
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2021
Date of first Publication:2021/06/08
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2021/04/01
Release Date:2021/06/08
GND Keyword:Hydrothermal vent
Page Number:87
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Pharmazie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 500 Naturwissenschaften