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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-001633-0

Marine environmental proteomics - from simple to complex microbial assemblages

  • Rich knowledge about global nutrient cycles and functional interactions can be gained from the perspective of complex microbial proteomes. In this thesis, the application of environmental proteomics allowed for a direct in situ analysis of habitat-specific proteomes expressed by respective microbial communities from two different marine ecosystems. In the first part of this thesis, unculturable symbiont populations from tubeworms that colonize hydrothermal vents of the Pacific deep sea became accessible by use of community proteomics. This branch of environmental proteomics is generally employed to ascertain simple microbial assemblages derived from in situ samples. The proteome study was aimed at analyzing adaptations of seemingly monospecific symbionts to different hosts, the tubeworms Tevnia jerichonana und Riftia pachyptila. A comparison of the newly sequenced genomes of symbiont populations from both hosts confirmed that both symbioses involve the same bacterial species. Also the proteome analysis by 2D-PAGE showed a high physiological homogeneity for symbionts from both worm species, although the hosts are exposed to different geochemical conditions. Thus, the hosts provide their symbionts with a relatively stable internal environment by attenuation of external influences. Only minor variations in the symbionts proteomes reflected the differential environmental conditions outside the worms. Hence, the symbionts were able to fine-tune major metabolic pathways and oxidative stress in response to only minor chemical changes within their hosts. Moreover, new components of important physiological processes of the bacterial symbionts, like the sulfide oxidation and carbon fixation, were identified by in-depth proteomics of the Riftia symbiosis model system. The in situ protein samples showed as well that, in contrast to an earlier hypothesis, nitrate is used as an alternative electron acceptor. In the second part of this thesis, another branch of environmental proteomics called metaproteomics was applied to investigate the response of a bacterioplankton community to a spring phytoplankton bloom in the North Sea. Recurrent plankton blooms are a common phenomen of coastal areas, which however has only been investigated with limited resolution in biodiversity. Based on large-scale proteomic data sets it was found that specialized populations of Bacteroidetes, Gammaproteobacteria and Alphaproteobacteria exhibited differential protein expression patterns. These involved oligomer transporters, glycoside hydrolases and phosphate acquisition proteins. A successive utilization of algal organic matter by microbes indicated a series of ecological niches occupied by the heterotrophic picoplankton. Key proteins, identified by metaproteomics, were further investigated by studying a model bacterium to define their specificities regarding the utilization of algal glycans. By isotope labeling of proteins, quantitative proteomics of the North Sea isolate Gramella forsetii KT0803, a Bacteroidetes representative could be conducted. The adaptation to the algal polysaccharides alginate and laminarin in comparison with glucose was analyzed. G. forsetii proved to be a specialist for the chosen algal polymers, in particular for glucans like laminarin. Primarily comprehensive clusters, the so-called polysaccharide utilization loci (PULs) were activated. The results of this model study complemented the basic concepts obtained by the metaproteomic approach about carbon cycling in coastal systems. The accessibility of numerous unculturable marine microbes by environmental proteomics allows to improve our understanding of interactions that drive symbioses or complex communities. Adaptations to environmental parameters, such as the abundance of substrates, can be analyzed and associated with respective populations. Thus statements can be made for functional groups of microorganisms, their ability for the creation of niches and their flexibility to respond to varying environmental impacts. The increasing number of marine model bacteria enables targeted analysis of specificities and adaptations and hence to support the environmental proteomics approach.
  • Aus der Perspektive komplexer mikrobieller Proteome können reichhaltige Erkenntnisse über globale Nährstoffkreisläufe und funktionelle Interaktionen gewonnen werden. In dieser Dissertation erlaubte die Anwendung von Umweltproteomics eine direkte In-situ-Analyse habitatspezifischer Proteome, die durch die jeweiligen mikrobiellen Gemeinschaften zweier verschiedener mariner Ökosysteme exprimiert wurden. Im ersten Teil der Dissertation konnten mittels Community Proteomics nichtkultivierbare Symbionten-Populationen aus Röhrenwürmern, die die Hydrothermalquellen der pazifischen Tiefsee besiedeln, zugänglich gemacht werden. Community Proteomics ist ein Teilbereich der Umweltproteomics und wird generell genutzt, um Proteome einfacher mikrobieller Verbände aus Umweltproben zu erforschen. Ziel war es, die Anpassung von mutmaßlich monospezifischen Symbionten an verschiedene Wirte, die Röhrenwürmer Tevnia jerichonana und Riftia pachyptila, zu untersuchen. Ein Vergleich der neusequenzierten Genome von Symbiontenpopulationen beider Wirte bestätigte, dass es sich in beiden Fällen um die gleiche Bakterienart handelt. Auch die Proteomanalyse mittels 2D-PAGE zeigte eine hohe physiologische Übereinstimmung für Symbionten aus beiden Wurmarten, obwohl die Wirte unterschiedlichen geochemischen Bedingungen ausgesetzt sind. Demnach stellten die Wirte ihren Symbionten durch Abmilderung äußerer Faktoren ein relativ stabiles inneres Milieu zur Verfügung. Nur geringe Abweichungen in den Symbiontenproteomen spiegelten die verschiedenen Umwelteinflüsse außerhalb der Röhrenwürmer wider. Die Symbionten waren daher in der Lage, feinabgestimmte Anpassungen von Hauptstoffwechselwegen und der oxidativen Stressantwort an diese nur noch geringen chemischen Veränderungen innerhalb ihrer Wirte vorzunehmen. Ferner wurden durch detaillierte Proteomics am Modell der Riftia-Symbiose neue Komponenten wichtiger physiologischer Prozesse der bakteriellen Symbionten, wie der Sulfidoxidation und der Kohlenstoff-Fixierung, identifiziert. Die In-situ-Proteinproben zeigten auch, dass entgegen einer vorherigen Hypothese Nitrat als alternativer Elektronenakzeptor genutzt wird. Im zweiten Abschnitt der Disseration wurde ein weiteres Teilgebiet der Umweltproteomics, Metaproteomics, genutzt, um die Antwort einer Bakterioplankton-Gemeinschaft auf eine Frühjahrs-Phytoplanktonblüte in der Nordsee zu untersuchen. Auf Grundlage umfangreicher Proteindatensätze wurden unterschiedliche Proteinexpressionsmuster spezialisierter Gattungen von Bacteroidetes, Gammaproteobakterien und Alphaproteobakterien detektiert. Diese umfassten Oligomertransporter, Glykosidhydrolasen und Proteine zur Phosphataufnahme. Eine sukzessive Verwertung von organischem Algenmaterial durch Mikroorganismen wies auf eine Reihe von ökologischen Nischen für heterotrophes Pikoplankton hin. Die mittels Metaproteomics identifizierten Schlüsselproteine wurden an einem Modellbakterium weiter untersucht, um ihre Spezifitäten hinsichtlich der Verwertung von Algenglykanen zu bestimmen. Durch Isotopenmarkierung von Proteinen konnten quantitative Proteomics am Nordsee-Isolat Gramella forsetii KT0803, einem Vertreter der Bacteroidetes-Gruppe, durchgeführt werden. Die Anpassung an die Algenpolysaccharide Alginat und Laminarin wurden im Vergleich mit dem Monomer Glukose analysiert. G. forsetii erwies sich als Spezialist für die gewählten Algenpolymere, insbesondere für Glukane wie Laminarin. In erster Linie wurden umfassende Cluster, die Gene zur Glykanverwertung enthalten (sogenannte Polysaccharide Utilization Loci, PULs), aktiviert. Die Ergebnisse der Modellstudie ergänzten schließlich die grundlegenden Konzepte aus dem Metaproteomics-Ansatz zum Kohlenstoffkreislauf im Küstensystem. Die Zugänglichkeit zahlreicher unkultivierbarer mariner Mikroben mittels Umweltproteomics erlaubt, unser Verständnis von physiologischen Zusammenhängen in Symbiosen und komplexen Gemeinschaften zu verbessern. Anpassungen an Umweltparameter, wie die Substratverfügbarkeit, können durch Proteinprofile analysiert und den jeweiligen Populationen zugeordnet werden. Somit kann eine Aussage über funktionelle Gruppen von Mikroorganismen, ihre Etablierung von Nischen und ihre Flexibilität auf variierende Umwelteinflüsse zu reagieren, getroffen werden. Die zunehmende Anzahl an marinen Modellbakterien ermöglicht zudem, Spezifitäten und Adaptionen gezielt zu untersuchen und somit den Umweltproteomics-Ansatz zu ergänzen.

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Metadaten
Author: Antje Kabisch
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001633-0
Title Additional (English):Marine environmental proteomics - from simple to complex microbial assemblages
Title Additional (German):Marine Umweltproteomics - von einfachen bis zu komplexen mikrobiellen Gemeinschaften
Advisor:Prof. Dr. Thomas Schweder
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2013/11/06
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2013/09/18
Release Date:2013/11/06
Tag:Metaproteomics, Umweltproteomics
environmental proteomics, metaproteomics, microbial community
GND Keyword:Proteom, Proteomics, mikrobielle Gemeinschaft
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Pharmazie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie