CORA – Copper Acquisition

Archaea

Archaea (Copyright: Christa Schleper/Universität Wien)

Projektstart: 2016

Wie Archaea aus Böden Kupfer kapern

Ammoniak-oxidierende Archaea spielen im globalen Stickstoffkreislauf eine große Rolle. Für die Umwandlung von Ammoniak zu Nitrit brauchen die Einzeller Kupfer. Die Mikrobiologin Carolina Reyes untersucht im Rahmen eines Marie-Curie-Stipendiums die Strategien, wie Archaea Kupfer aus Böden und Gewässern gewinnen. Das Projekt ist aus dem Forschungsverbund Umwelt der Universität Wien heraus entstanden und baut auf einer Zusammenarbeit von ForscherInnen der Umweltgeowissenschaften (unter Leitung von Stephan Krämer) und der Mikrobiologie (unter Leitung von Christa Schleper) auf.

Archaea sind neben Bakterien hauptverantwortlich für die Nitrifikation und damit für einen Schlüsselprozess im Stickstoffkreislauf: Hierbei wird unter Sauerstoffzufuhr Ammoniak über Nitrit zu Nitrat umgewandelt. Die Ammoniak-oxidierenden Archaea (AOA) sind der Forschung dabei erst seit 2005 bekannt. Ihre große Verbreitung - Archaea bilden einen der drei Domänen des Lebens und zählen zu den häufigsten vorkommenden Mikroorganismen auf der Erde – ließ die Forschung schnell auf ihre große Bedeutung für die Umwelt schließen.

„Ammoniak-oxidierende Archaea nutzen Kupfer-haltige Enzyme, um Ammoniak in Nitrit zu überführen. Bisher ist unklar, wie die Einzeller im Boden und Wasser das Kupfer akquirieren. Wir wollen die molekularen Mechanismen dafür finden“, sagt Postdoc Carolina Reyes vom Department für Umweltgeowissenschaft. Ihr Projekt „CORA – Copper Acquisition“ ist in den Forschungsgruppen des Umweltgeochemikers Stephan Krämer (Department Umweltgeowissenschaften) und der Mikrobiologin Christa Schleper (Department für Ökogenomik und Systembiologie) angesiedelt. Das Projekt ist somit ideal in zwei Gruppen verankert, die sich intensiv mit der Umweltgeochemie der Nährstoffakquisition bzw. mit der Charakterisierung von Archaea befassen.

Auf der Suche nach molekularen Mechanismen

Welche Proteine sind bei der Kupferaufnahme durch AOA involviert? Wie unterscheidet sich die Kupferaufnahme zwischen AOA, die aus Böden entstammen, und jenen, die aus Gewässern isoliert wurden? Welche verschiedenen Strategien für die Kupferaufnahme gibt es? Das zweijährige Forschungsprojekt soll hier Antworten liefern. „Von den Bakterien kennen wir bereits verschiedene Modelle, wie das Kupfer aufgenommen wird“, sagt Stephan Krämer, Leiter des Departments für Umweltgeowissenschaften. Bei Archaea gebe es hingegen bisher nur Hypothesen, wie sich dieser Prozess als Teil des Stoffwechsels der Einzeller vollzieht.

Im Projekt werden detaillierte Untersuchungen mit dem in der Forschungsgruppe von Christa Schleper beschriebenen Organismus Nitrososphaera viennensis durchgeführt. Der Organismus wurde 2011 aus dem Garten des Departments für Ökogenomik und Systembiologie in der Althanstraße isoliert. „Das Genom von N. viennensis weist wie das der übrigen bekannten Vertreter der AOA eine erstaunliche Anzahl von Genen für Kupfer-abhängige Enzyme auf. Daher erwarten wir hier besonders effiziente Systeme für die Kupferaufnahme“, so Christa Schleper, Leiterin der Division für Archaea Biology and Ecogenomics der Fakultät für Lebenswissenschaften.

Im gemeinsamen Projekt wird außerdem die Hypothese getestet, dass AOA bei Kupfermangel die Geochemie ihrer Umgebung verändern, um Kupfer verfügbar zu machen. Dabei könnten hochspezialisierte Liganden eine Rolle spielen, sogenannte Metallophore, die mit dem Kupfer extrem stabile lösliche Komplexe bilden und von den Organismen aufgenommen werden können. Dies könnte letztlich einen wichtigen Einfluss auf die Umwandlungsrate von Ammoniak durch die Einzeller bewirken. Ziel des Projektes ist, zum grundlegenden Verständnis für die Kupferaufnahme durch Archaea beizutragen.

Drei Fragen. Der Umweltgeochemiker Stephan Krämer antwortet.

Wie kam es zur Projektidee?

Eigentlich lag die Projektidee sofort auf der Hand, nachdem wir uns im Rahmen des Forschungsverbundes Umwelt über unsere Forschungsinteressen ausgetauscht hatten. In der Krämer-Gruppe beschäftigen wir uns seit langem mit den geochemischen Mechanismen der Spurennährstoffaufnahme. Insbesondere mit den Mechanismen der Kupferaufnahme von methanotrophen Bakterien. In der Schleper-Gruppe war bekannt, dass Kupfer für AOA eine ähnliche Rolle spielt wie für methanotrophe Bakterien. Nachdem wir unsere Erfahrungen ausgetauscht hatten, war sofort klar, dass sich hier sehr spannende Fragen stellen. Glücklicherweise haben wir in diesem Zusammenhang auch gleich eine kompetente junge Wissenschafterin gefunden, die sich diese Fragestellungen zu Eigen gemacht hat. Wir freuen uns jetzt sehr auf die gemeinsame Arbeit.

Kupfer ist ein Schwermetall: Gibt es für die AOA auch ein Zuviel an Kupfer im Boden?

Kupfer ist ein Beispiel für einen Stoff, der in geringen Mengen als Nährstoff wichtig ist, in hohen Konzentrationen aber giftig wirken kann. Als UmweltwissenschafterInnen beschäftigen wir uns oft mit toxischen Effekten, die mit einem „Zuviel“ von solchen Stoffen einhergehen, z.B.im Zusammenhang mit anthropogener Verschmutzung. Das „Zuwenig“ einer Substanz ist aber ebenfalls von großer Bedeutung für den Menschen und seine Umwelt. So kann die mangelnde Verfügbarkeit von Spurenmetallen in Ökosystemen zu massiven landwirtschaftlichen Einbußen führen oder gleich globale Elementkreisläufe beeinflussen. Daher werden wir in diesem Projekt sicher auch bestimmen, ab welcher Kupferkonzentration toxische Effekte auftreten, unser eigentliches Interesse gilt aber der Kupferaufnahme unter Mangelbedingungen.

Welche Rolle spielt der Forschungsverbund Umwelt für Ihre Forschung?

Als Umweltgeowissenschafter interessieren mich das Erdsystem und die Prozesse, die dieses System steuern. Dazu gehören ganz wesentlich Stoffumwandlungen, die in verschiedenen Disziplinen an der Universität Wien auf hohem Niveau untersucht werden. Seit meinem Dienstantritt an dieser Universität vor zehn Jahren habe ich erleben dürfen, wie sich zwischen Disziplinen Türen geöffnet haben und WissenschafterInnen dieser Disziplinen aufeinander zugegangen sind, um gemeinsam unsere Umwelt zu erforschen. Dies kulminierte jetzt in der Gründung des Forschungsverbundes Umwelt. Für WissenschafterInnen, die sich herausgefordert fühlen, die Umwelt in Vergangenheit und Gegenwart zu verstehen und für eine bessere Zukunft zu arbeiten, bietet der Forschungsverbund ein einzigartiges intellektuelles Umfeld. Die hier vorgestellte Forschungsarbeit steht in diesem Zusammenhang – der Verbund stand sozusagen bei der Schaffung des Projekts Pate.

Kontakte:

Univ.-Prof. Dipl.-Geol. Dr. Stephan Krämer
Leiter des Departments für Umweltgeowissenschaften
Universität Wien
1090 - Wien, Althanstraße 14 (UZA II)
+43-1-4277-534 63
+43-664-60277-534 63
stephan.kraemer@univie.ac.at 

Univ.-Prof. Dipl.-Biol. Dr. Christa Schleper
Leiterin der Division für Archaea Biology and Ecogenomics des Departments für Ökogenomik und Systembiologie der Fakultät für Lebenswissenschaften
Universität Wien
1090 - Wien, Althanstraße 14 (UZA I)
+43-1-4277-765 10
+43-664-60277-765 10
christa.schleper@univie.ac.at

Project Summary (in English only)

It has recently been discovered that archaea are promoting ammonia oxidation, an important process in nitrogen cycling. Ammonia oxidizing archaea (AOA) use Cu containing enzymes to oxidize ammonia to nitrite. Therefore, they have an elevated Cu requirement and thus the bioavailability of Cu to archaea may impact the nitrogen cycle. However, the molecular mechanism of Cu uptake by Archaea from terrestrial and aquatic environments remains unknown. Understanding the molecular mechanism of Cu uptake by these archaea will be an important step in understanding limitations of nitrification activities in the nitrogen cycle. The first objective of this study will be to determine what types of proteins are potentially involved in Cu uptake under Cu limiting conditions. The hypothesis that low concentrations of Cu will result in expression of Cu acquisition genes will be tested using different strains of AOA originating from soil and hot spring environments and varying the availability of Cu to the AOA. The gene expression of AOA cultures as a function of Cu availability will be monitored using transcriptome studies. The hypothesis that soil AOA will secrete extracellular reactive compounds to mobilize Cu as part of a Cu acquisition strategy will be tested. The presence of a strong copper binding ligand will be evaluated using a colorimetric assay and an electrochemical method. The second objective of this study will be to use different strains of AOA in batch incubation experiments with different previously characterized Cu containing soils and minerals. The hypothesis that AOA isolated from soil environments will have high efficiency Cu uptake systems compared to AOA from the aquatic environment will be tested in batch incubations with AOA cell cultures and different Cu containing soils and minerals. This study will help to elucidate Cu uptake of AOA and of Archaea in general and to increase our understanding of factors limiting nitrification activities in the environment.

umweltgeologie.univie.ac.at