Mariene Microbiologie


21 ste eeuw biologie ?  :

NIEUWE  UITDAGINGEN   EN  OUDE  METAFOREN 

1.- MEDIA  CIRCUS 

NOTA =  OPGELET    De titel van deze video dekt de lading niet  en   is  een beetje een  misleidende (  afkomstig van  ID-creationisten ? ) “teach the controversy”, toepassing  …

– Dr. Craig Venter, American Biologist valt helemaal niet de theorie van de gemeenschappelijke  afstamming af  ….

Dr Venter zegt “I think the tree of life is an artifact of some early scientific studies that aren’t really holding up.”

en als je gehele video uitkijkt  ( of beter nog de conferentie bijwoonde)   dan zei Venter  “…. there is no tree of life…. MAYBE a bush…”(of dat laatste ironisch is , weet ik niet ) 

_____________________________________________________________________________________________________

het “bush model ”

Links staat de klassieke  stamboom van het leven

rechts ;  de  stamboom van het leven  met samengesmolten takken (bastaardiseringen / HGT  etc … )  


Image
de rechtse boom   bezit  versmolten takken  maar is nog steeds een “bovengrondse” boom

Image

Het bush model 

Mijn “metafoor”  ; 

nieuwe stamboon van het Leven

uiterst links is een diagram van mijn visie (met HGT  in de wortels en de kruin / met( af en toe )  bastaardiseringen als nieuwe soorten generator  in sexuele soorten ) 

in het midden: staat een polyfylitische visie (geen hoofdstam ) wel verschillende onafhankelijke  lijnen van afstamming ( in  de creationistische visie  zijn die aparte lijnen geschapen (ze hebben dus geen wortels die in de aarde verankerd zitten  , maar de  allereerste exemplaren van zo’n stamlijn hangen aan een  magische “hemelhaak “))

rechts:  zitten  zowel  de hoofdstam van de boomals het   basale wortelnet  , beiden  ondergronds  verborgen

32944-tree-life-natural-spirituality-343684-3428-4

     Web-of-life-DoolittleNetwerk  aan de wortels van het leven  (Doolittle ) 

 

VENTER   blijft er  echter ( volgens mij )   toch wel  minstens  van overtuigd dat alle leven uiteindelijk afkomstig is van    Luca’s  (=   oer- organismen met de kleinste genoomsets  die  zelfstandig   leven (en zich voortplanten )toelaat  en/of    eventueel  kan zijn  onstaan uit verschillende of enkele   samengesmolten  diverse  abiogenetisch(?)  onstane  aparte  proto -levende  vormen met  eventueel  “andere”  sets  ….. Trouwens  het  aannemen  dat andere codes  denkbaar  zijn vormt één van  de hoekstenen  van de synthetische biologie  die  hijzelf mee in  de steigers helpt  )   ?  

Dat een vindbare   laatste gemeenschappelijke  voorouder tussen  mens en extremofiele micro organismen  , betwijfelbaar is  ____ omdat  beide vermelde organismen wel eens  tot verschillende biosferen (verschillende  biosferen en zelfs tot  ” schaduw- levende- werelden” op deze planeet    )   zouden kunnen behoren ____ is het  essentieële deel van zijn  bijdragen aan het verbale  debat   … maar dat is iets anders dan zeggen dat common descent geen steek meer houdt ….

zie daarover nog meer  in  de video op :

http://thesciencenetwork.org/programs/the-great-debate-what-is-life/what-is-life-panel

zie ook  : 

http://www.rationalskepticism.org/creationism/craig-venter-denies-common-descent-dawkins-reacts-t20501-20.html

————————————————————————————————————————————————————–

2.-  Bacterieen , HGT  en  oceaan DNA

Bacteriën hebben een speciale eigenschap: ze kunnen stukjes genoom uitwisselen, een stukje van hun DNA overdragen aan een andere bacterie.
Dat doen ze niet allemaal voortdurend, maar in een oceaan van microben vindt deze laterale of zijwaartse vorm van genoverdracht altijd wel ergens plaats.
De Archaea doen dat niet alleen onderling, maar ook met prokaryotische en eukaryotische bacteriën, vanaf hun ontstaan tot op heden.

Dit fenomeen doet twee langgekoesterde concepten wankelen.
De eerste is

de ‘tree of life’ van Darwin.

Blijkbaar hebben we niet te maken met een zich ordelijk vertakkende boom maar met een kluwen van uiteengaande en zich weer verenigende levensvormen.

We beseffen dat de stamboom van het leven een metafoor was, alsof de verwantschap tussen de soorten uitgedrukt kan worden als een genealogie van opeenvolgende generaties van keurige burgers die geen scheve schaats gingen rijden ….

Het tweede concept dat op zijn grondvesten schudt, is dat van de soort zelf.
Wanneer behoren microben tot dezelfde soort?
Als ze zeventig procent of meer DNA met elkaar gemeen hebben, zegt de Amerikaanse moleculair bioloog Eric Mathur.
Om eraan toe te voegen dat die definitie natuurlijk arbitrair en kunstmatig is.(zoals de vele andere “definities  “die er al bestaan )
Wie denkt dat de enorme toename van informatie over het DNA van de soorten de reconstructie van de genealogische verwantschap van soorten stabieler heeft gemaakt, komt bedrogen uit.
Nog nooit zijn soorten zo vaak opnieuw taxonomisch ingedeeld (en kregen bijgevolg een andere wetenschappelijke naam) als juist de laatste jaren.
Sommige biotechnologen maken zich ongerust dat hun patenten waardeloos kunnen worden als dat met ‘hun’ soorten zou gebeuren.
Maar diezelfde biotechnologen wrijven zich intussen wel in de handen over de ontdekking van het proces van zijwaartse genoomuitwisseling.
Dit maakt het overbrengen van genetisch materiaal van de ene soort naar de andere op slag een stuk ‘natuurlijker’.(Er bestaat dus blijkbaar  ook NATUURLIJKE GENETISCHE MANIPULATIE  )

Wat is ‘verwantschap’ dan nog? vraagt o.a. Helmreich zich af.
Het antwoord is misschien:

elke soort zijn eigen webpagina, via hyperlinks verbonden met andere soorten.(= een netwerk dus )

Bacteriën in de oceanen werden in 2004 voorpaginanieuws toen de Amerikaanse bioloog Craig Venter vanaf zijn privéjacht zeewatermonsters ging nemen in de Sargassozee en de Stille Oceaan, om die in hun geheel op
hun DNA te laten bepalen.
Het voorafgaande decennium had Venter het Human Genome Project, dat het menselijk genoom in kaart wilde brengen, op zijn kop gezet door met grof geschut simpelweg alle DNA te sequencen
(het bepalen van de basenvolgorde van DNA).

°

Zeewater bevat ongeveer een miljoen bacteriën per milliliter, zo zeggen  mariene biologen .
De oceanen zijn een grote soep van microben en fytoplankton, en als je zou willen, zou je die als één groot organisme kunnen beschouwen.
Dat is wat Venter deed, toen hij wel eens even het ‘DNA van de oceanen’ zou bepalen.

De biologen die Helmreich vergezelt naar de Sargassozee hebben veel kritiek op Venter.
Zelf nemen ze niet zonder meer monsters van het zeewater, maar ze relateren hun uitkomsten aan de tijd van de dag, het jaargetijde en de kaart van de oceaanstromingen.
Dat plaatst de bacteriën in een ecologische context.

°
Het ingewikkelde van de oceanen is dat ze een veelheid van ruimtelijke schalen omvatten: van heel groot tot heel klein.
Net zoals er een veelheid van “tijdperken” in te herkennen valt
°

tegelijkertijd primordiale bacterieoersoep en contemporain samenleven van  extente “soorten. ”

°

Het is zeker mogelijk om aan de macrokant functies op planetaire schaal te ontwaren; fytoplankton legt ongeveer de helft van de atmosferische kooldioxide vast.
(Een voorbeeld is de onlangs opnieuw in de belangstelling gekomen verleiding van geo-engineering: bemesting van de oceanen met ijzer zou fytoplanktongroei bevorderen,
waardoor meer kooldioxide wordt opgenomen en global warming wordt tegengegaan.
Alsof de oceanen een aquarium zijn.!!!  )

Ook Helmreichs biologen kijken echter niet naar individuele bacteriën, maar naar groepen.
Hun genoom en hun milieuomstandigheden worden data, en de beslissing over hoe de collectie van data te lijf te gaan is nog niet genomen.
‘We are merging with our data’, zeggen weer andere biologen tegen Helmreich, een voor een antropoloog herkenbare uitspraak, alsof het Einfühlung betreft.
Intimiteit met het onderzoeksobject?
Kun je intiem zijn met bacteriën?
Daar hoef je helemaal niets voor te doen, dat gaat vanzelf.
Onze lichamen bevatten kilo’s bacteriën(we kunnen zelfs niet zonder –> zie bionoom ) , iets wat de onderzoekers van de oceanische microbensoep zichzelf ook voorhouden.
—> Maar vooral …… deze nieuwe zienswijzen laten laten zien hoe dichtbij alle levende wezens van deze planeet bij elkaar staan  …. en hoeveel ze wel gemeenschappelijk  bezitten  aan hun basis  

°
http://www.sciencemag.org/content/330/6000/50.short
“High Frequency of Horizontal Gene Transfer in the Oceans”
Gene transfer agents (GTAs) —> α-Proteobacteria
http://biologylabs.utah.edu/dearing/Teaching_2012/Science-2010-McDaniel.pdf
Jae-Hyuk Yu 1 en Kwang Cheol Jeong 2. F1000 Microbiologie > Microbiële Groei en ontwikkeling
1 Universiteit van Wisconsin-Madison, Madison, WI, USA. 2 Universiteit van Florida, Gainesville, Verenigde Staten.

14 oktober 2010 |
DOI: 10.3410/f.5568958.5535056

°(Mijn vertaling van het abstract )

Samenvatting : 
Deze studie toont aan dat mariene bacteriën genetische eigenschappen kunnen verwerven ( en dat was al vroeger bekend ) door genoverdracht agenten (GTAs) ..
HGT speelt een cruciale rol in evolutionaire processen die (ook mariene ) micro-organismen snel laten aanpassen aan nieuwe omstandigheden en omgevingen
In het bijzonder toonden de auteurs aan dat overdracht van mobiele genetische elementen tussen mariene micro-organismen veel vaker gebeurt dan eerder was gedacht.

Microben vertrouwen op mutaties en horizontale genoverdracht (door o.a. conjugatie( proto-sexuele gen – uitwisseling ) , transformatie en transductie) om hun genomen vorm te geven.
Uit het artikel McDaniel et al.. bleek dat
virusachtige deeltjes die genoverdracht agentia (GTAs) pakketjes worden genoemd , willekeurige fragmenten van het gastheer-DNA( tot en met 1000 basen ) kunnen overgedragen op andere micro-organismen.

Een set van genen die coderen voor resistentie-eiwitten werd geconstrueerd en ingebracht in twee soorten van alfa-Proteobacteria (=genetische manipulatie ) , die vervolgens werden
verder gekweekt en dus ook gebruikt om de ingebouwde GTAs(met de resistentie eiwitten) te produceren. ….
Micro-organismen afkomstig uit verschillende omgevingen werden daarna geïncubeerd( experimenteel besmet ) met die GTAs onder in situ-omstandigheden
en de optredende overdracht frequentie van het antibioticumresistentie gen werd in elk van die afzonderlijk gehouden micro organismen culturen , bepaald.

Genoverdracht frequentie varieerde van 6,7 x 10 ^ -3 tot 4,7 x 10 ^ -1, of maximaal 31 miljoen keer vaker dan vroeger al geschat was .

Media circus nummer II  //  “PR officers   ”  over   de “ontdekking” van  HGT  en een “nieuw” evolutiemechanisme     …. NOT 

http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=127102&org=NSF&from=news

http://phylogenomics.blogspot.ca/2013/03/ugg-story-about-gene-transferevolution.html
http://sandwalk.blogspot.be/2013/03/bad-science-in-national-science.html

 

   

Galdieria sulphuraria  has apparently inherited many genes from bacteria by lateral gene transfer.

Schönknecht, G., Chen, W.H., Ternes, C.M., Barbier, G.G., Shrestha, R.P., Stanke, M., Bräutigam, A., Baker, B.J., Banfield, J.F., Garavito, R.M., Carr, K., Wilkerson, C., Rensing, S.A., Gagneul, D., Dickenson, N.E., Oesterhelt, C., Lercher, M.J., and Weber, A.P. (2013) Gene Transfer from Bacteria and Archaea Facilitated Evolution of an Extremophilic Eukaryote. Science 339:1207-1210. [PubMed] [doi: 10.1126/science.1231707]

Some microbial eukaryotes, such as the extremophilic red alga Galdieria sulphuraria, live in hot, toxic metal-rich, acidic environments. To elucidate the underlying molecular mechanisms of adaptation, we sequenced the 13.7-megabase genome of G. sulphuraria. This alga shows an enormous metabolic flexibility, growing either photoautotrophically or heterotrophically on more than 50 carbon sources. Environmental adaptation seems to have been facilitated by horizontal gene transfer from various bacteria and archaea, often followed by gene family expansion. At least 5% of protein-coding genes of G. sulphuraria were probably acquired horizontally. These proteins are involved in ecologically important processes ranging from heavy-metal detoxification to glycerol uptake and metabolism. Thus, our findings show that a pan-domain gene pool has facilitated environmental adaptation in this unicellular eukaryote.

 

http://www.nsf.gov/news/news_images.jsp?cntn_id=127102&org=NSF

Green and yellow rock in an Icelandic hot spring with sulfur and alga Galdieria sulphuraria.
Rock in an Icelandic hot spring near Reykjavik with sulfur and Galdieria sulphuraria.

Credit: Christine Oesterhelt

_______________________________________________________________________________________________________

biodiversiteit diepzee.docx (463.9 KB)

BIODIVERSITEIT POOLZEEËN.docx (343.5 KB)

MARIENE BIOLOGIE EN EVOLUTIEWETENSCHAPPEN  

http://www.nioz.nl/mm.html

Mariene Microbiologie onderzoekt de oorsprong en behoud van microbiële diversiteit en zijn rol in de structuur en functie van mariene ecosystemen.

Het meten, begrijpen en verklaren van adaptaties van populaties en gemeenschappen van micro-organismen en het acclimatiseren aan veranderende milieuomstandigheden is daarbij  erg  belangrijk .

De wetenschappers, assistenten en studenten die met dit doel voor ogen  onderzoerken opstraten en uitvoeren  , doen  dit o.a.  door middel van  de studie van de eigenschappen van laboratoriumcultures, natuurlijke populaties en gemeenschappen en ecosystemen, waarbij dit in de context van de oorsprong en evolutie van het leven op aarde en het functioneren van huidige en toekomstige mariene biogeochemische cycli wordt gebracht.

EVOLUTIECONTEXT

De oorsprong van het leven wordt geschat op meer dan 3,8 miljard jaar geleden.

Het leven bleef microscopisch gedurende de eerstvolgende 3,2 miljard jaar.

Al 2,2 miljard jaar geleden waren alle belangrijke groepen micro organismen aanwezig evenals de eerste primitieve eukaryoten.

Micro-organismen hadden dus miljarden jaren de tijd om een duizelingwekkende diversiteit van genetische en fysiologische varianten te genereren die de antwoorden hadden op de voortdurende veranderingen van de omgevingsfactoren en op stress als gevolg daarvan.

Fototrofen zijn getalsmatig de meest veelvoorkomende micro-organismen in het voedselweb van de oceaan.

Eukaryote groenwieren ontstonden door een endosymbiotische gebeurtenis.

Deze organismen spelen sinds 2,2 miljard jaar geleden een belangrijke rol in de voedselketen van de oceaan.

Aan het eind van de grote extinctie in het Perm ongeveer 250 miljoen jaar geleden ontwikkelde zich een nieuwe groep roodwieren.

Met meer dan 10.000 soorten zijn de kiezelwieren de meest recente groep die tegelijkertijd met de zoogdieren opkwam.

Zij zijn belangrijke spelers in de mondiale koolstofcyclus en een essentieel element van de biologische pomp die koolstof van de atmosfeer naar de oceaanbodem transporteert.

tl_files/Fotos website editor/Onderzoek/MM/tekstbalk-mm_1.jpg

Mariene microben overheersen de wereld

De oceaan is het grootste ecosysteem op aarde en 90% van zijn biomassa is microbieel.

De diversiteit van het microbiële leven in de oceaan is enorm groot en omvat  alle bekende groepen van de Bacteria, Archaea en microbiële Eukarya.

Deze diversiteit is echter sterk onder-bemonsterd en een diepgaand begrip van de identiteit en fysiologie van mariene microben en hun interacties is een belangrijk onderzoekgebied waar nodig voortgang geboekt moet worden.

Cyanobacteriën waren verantwoordelijk voor de verrijking van de atmosfeer met zuurstof 2,2 miljard jaar geleden maar deze groep van organismen is mogelijk al 3,5 miljard jaar oud.

Vrijwel al het leven in de oceaan is direct of indirect afhankelijk van fotosynthese.

Na koolstof is stikstof het meest belangrijke bestanddeel van organismen, maar slechts enkele gespecialiseerde bacteriën – voornamelijk cyanobacteriën – zijn in staat om het alom aanwezige atmosferische stikstof (N2) te gebruiken.

Vijftig procent van de mondiale fixatie van koolstof en stikstof gebeurt in de oceaan voornamelijk uitgevoerd door fototrofe micro-organismen.

Sedimenten zijn van vitaal belang voor de mondiale koolstofcyclus omdat zij de belangrijkste plaatsen voor koolstofmineralisatie en –depositie zijn, vooral in de kustgebieden.

Microben zijn de voornaamste spelers in mariene sedimenten en er zijn een keur aan fysiologie en biogeochemische processen in deze microbiële ecosystemen voorhanden.

De werkgroep Mariene Microbiologie werkt aan de volgende onderzoekthema’s:

Microbiële matten in kustgebieden

Microbiële matten zijn consortia van micro-organismen die een complex, verticaal gelaagd ecosysteem vormen. Deze benthische microbiële gemeenschappen zijn meestal te vinden in milieus die zich kenmerken door extreme condities. Kustgebieden die onder invloed van de getijden staan zijn een goed voorbeeld van een milieu waar microbiële matten zich ontwikkelen. Microbiële matten worden gedreven door fototrofe micro-organismen en worden gekenmerkt door de vrijwel gesloten biogeochemische cycli en geringe afmetingen (mm schaal). Daardoor zijn microbiële matten aantrekkelijke model ecosystemen. Daarnaast kunnen processen zoals microbiële evolutie, uitwisseling van genetische informatie en de wisselwerking tussen de verschillende soorten in een microbiële mat bestudeerd worden. Microbiële matten worden beschouwd als analoog aan de fossiele stromatolieten (gelaagde gesteentes gevorm door microbiële activiteit) die vanaf het begin van het Precambrium – zo’n 3,5 miljard jaar geleden – ontstonden en daarmee als de oudste bekende vorm van leven geldt. Microbiële matten in kustgebieden zijn van speciaal belang vanwege hun rol in de stabilisatie van het sediment en de vorming van kwelders en duinen. Deze vorm van natuurlijke kustbescherming is van belang gezien de klimaatverandering, mondiale temperatuurstijging en verwachte stijging van de zeespiegel.

Microbiële mat van cyanobacteriën op het strand van Schiermonnikoog (links) en een sectie van een microbiële mat met de verschillend gekleurde lagen met fototrofe microorganismen (rechts). Onder de laag van cyanobacteriën bevindt zich een laag van purperen zwavelbacteriën.

Een belangrijk onderzoeksterrein zijn de stranden aan de Noordzeekust van het Waddeneiland Schiermonnikoog. Hier hebben microbiële matten in dertig jaar tijd een breed wit zandstrand getransformeerd tot een groen, kweldergebied met een enorme rijkdom aan zoutminnende planten, verschillende vogelkolonies en vele soorten insecten. Dit was alleen mogelijk doordat micro-organismen en vooral cyanobacteriën in staat zijn om het zand vast te leggen en te verrijken met voedingsstoffen zoals koolstof- en stikstofrijke verbindingen. Ondanks intensieve fysiologische, ecologische en taxonomische studies is er nog maar weinig bekend over de genetische samenstelling van microbiële matten, de microbiële diversiteit en de netwerken van metabolisme en de interacties tussen de verschillende organismen. Daarom is in 2006 een begin gemaakt met een diepgaande moleculaire analyse van microbiële matten.

Microbiële diversiteit

Met behulp van moderne analyse technieken voor het bepalen van grote aantallen DNA sequenties van het gen voor een van de ribosomaal RNAs (16S rRNA) hebben we inzicht verkregen in de samenstelling van de microbiële gemeenschappen. Het gen coderend voor 16S rRNA wordt alom gebruikt voor de identificatie van micro-organismen. Door de DNA sequentie van dit gen van een specifiek organisme op te helderen en te vergelijken met een database met vele tienduizenden 16S rRNA sequenties kunnen we nagaan aan welk soort het onbekende gen het meest verwant is. Dit kan worden gedaan met geïsoleerde micro-organismen maar hele gemeenschappen. In dat laatste geval krijgen we een overzicht van alle 16S rRNA gen sequenties – en dus soorten micro-organismen – die in zo’n gemeenschap aanwezig zijn. Met de conventionele technieken kunnen er enkele tientallen tot honderden DNA sequenties vergeleken worden, maar met “next generation sequencing” (NGS) kunnen nu vele honderdduizenden sequenties vergeleken worden. Op deze manier hebben we bijna 250.000 korte (~60bp) sequenties verkregen van Bacteriën en Archaea uit 3 verschillende microbiële mat typen van Schiermonnikoog. Deze matten bleken zeer divers te zijn en mogelijk meer dan 2000 verschillende soorten Bacteriën en Archaea te bevatten. De soortensamenstelling was bovendien erg afhankelijk van de verschillende matten. De soortensamenstelling per mat was meer of minder constant gedurende de verschillende seizoenen.

De samenstelling van de Proteobacteria in microbiële matten van Schiermonnikoog tijdens verschillende seizoenen.

Het onderzoek wordt voortgezet met de analyse van de samenstelling van microbiële Eukarya in deze matten door het sequensen van het 18S rRNA gen. Doordat de techniek snel vordert zijn we nu in staat om stukken DNA van ~500bp via NGS te analyseren waardoor een betere identificatie van de soorten mogelijk wordt. Naast sequentie analyse kunnen we microbiële gemeenschappen ook vergelijken met behulp van zogenaamde moleculaire vingerafdrukken. Hierbij wordt ook gekeken naar diversiteit van de 16S en 18S rRNA genen maar dan door deze moleculen te scheiden op een denaturerende gel. Met behulp van denaturerend gradiënt gel elektroforese (DGGE), worden de genen gescheiden op grond van verschillen in het GC gehalte. Op deze wijze kunnen we snel en eenvoudig meerdere monsters (van verschillende plekken of tijdstippen) met elkaar vergelijken. Toepassing van deze techniek op de matten van Schiermonnikoog laat een klustering zien van de drie domeinen van leven (Bacteriën, Archaea en Eukarya) volgens de eerder geïdentificeerde typen matten. De microbiële samenstelling kwam ook overeen met de fotosynthetische pigmenten die laat zien dat diatomeeën overheersen in het zoute gedeelte (laagwaterlijn), cyanobacteriën in het brakke gedeelte (halverwege laagwaterlijn), en groenwieren in het zoete gedeelte van het strand (dicht bij de duinen).

De verdeling van micro-oganismen in een microbiële mat naar functionele groepen.

Metagenoom analyse

Het metagenoom van een microbieel ecosysteem is het totaal aan genetische informatie daarin aanwezig en vormt de som van de genomen van alle daarin aanwezige soorten micro-organismen. Door metagenoom analyse zijn we in staat het genetische potentieel van een microbiële mat op te helderen. Totaal DNA wordt van verschillende types microbiële mat geëxtraheerd en gezuiverd waarna de basenvolgorde van het totale DNA door middel van hoge capaciteit sequensen technieken bepaald wordt. Bioinformatica is nodig om de vele honderdduizenden DNA sequenties te analyseren, identificeren, assembleren en annoteren. Hierna kan het zogenaamde metagenoom onderzocht worden, grote stukken genetische informatie van de vele honderden soorten van micro-organismen in microbiële matten en gebruikt worden bij de analyse van het metatranscriptoom. Deze informatie zal inzicht verschaffen in bekende maar ook nog onbekende metabolisme routes en netwerken die een rol spelen in de microbiële mat. Verder verwachten we dat deze analyses zullen leiden tot de ontdekking van genen die coderen voor nieuwe bioactieve stoffen (bijvoorbeeld antibiotica of enzymen) met biotechnologische of farmaceutische toepassingen.

Synthetische microbiële gemeenschappen – Microbiële systeem ecologie

Cyanobacteriën zijn de belangrijkste primaire producenten in de microbiële matten en verzorgen de rest van de microbiële gemeenschap met substraat en geschikte leefomstandigheden. Dus zijn vele soorten bacteriën afhankelijk van de producten geproduceerd door de cyanobacteriën. Cyanobacteriën zijn de enige tot nu toe bekende prokaryoten met een biologische klok waarmee ze een dag/nacht ritme aan kunnen houden. Hierdoor kunnen ze efficiënt processen van elkaar scheiden die dan wel overdag (fotosynthese en CO2 fixatie) of ‘s nachts (stikstoffixatie, fermentatie) plaats vinden. De interne moleculaire klok is een samenwerking tussen verschillende zogenaamde klok-eiwitten met als centraal eiwit KaiC. Dit eiwit zorgt voor de regulatie van de activiteit van een groot aantal andere eiwitten die dan wel overdag dan wel gedurende de nacht nodig zijn.

Dit inzicht leidde tot de volgende hypothese; de biologische klok van cyanobacteriën beïnvloedt niet alleen de eigen genregulatie maar via de dag- en nacht afhankelijke productie van substraten (suikers, zuren, stikstofhoudende verbindingen) controleert het de gehele metabolisme netwerk van de mat. Dit kan worden onderzocht door het meta-transcriptoom – het totaal aan messenger RNA dat codeert voor eiwitten – te bepalen en vervolgens te analyseren. Omdat dit vanwege de complexiteit van het systeem lastig is, wordt er eerst gekeken naar synthetische microbiële matten, waarbij geselecteerde soorten van mat-organismen waarvan het genoom bekend is (cyanobacteriën, heterotrofe bacteriën en sulfaat-reducerende bacteriën) onder laboratorium condities gekweekt worden en het transcriptoom vergeleken in reincultuur en in gedefinieerde mengcultures gedurende dag- en nacht cycli. Het geheel aan data wordt door middel bioinformatica in een microbieel systeem ecologische aanpak geanalyseerd en beschreven.

Cyanobacteriën genoom

Het vermogen van bacteriën om zich snel aan te passen aan veranderende omgevingsfactoren is wel bekend. De evolutionaire en genetische mechanismen die ten grondslag liggen aan deze moleculaire adaptaties en de bronnen van genetische diversiteit zijn echter nog maar slecht begrepen. Mogelijke kandidaten voor zulke processen zijn het verkrijgen van externe genen via horizontale gentransfer en veranderingen in de primaire sequenties van eiwit coderende genen. Bovendien is her rangschikking van het genoom doormiddel van mobiele elementen ook vaak een bron van diversiteit binnen microbiële populaties. In tegenstelling tot de meeste bacteriële genen is de diversiteit van mobiele genen waarschijnlijk bepaald door de reproductieve interesses van de ‘selfish’ elementen. Om de relatieve bijdrage van deze mechanismen aan microbiële diversiteit te bepalen bestuderen we deze aspecten van de diversiteit aan de hand van de volledige sequenties van cyanobacteriële genomen.

Rangschikking van genen in het nitrogenase cluster van de cyanobacterie Microcoleus chthonoplastes en andere microorganismen. Hierbij wordt duidelijk dat Microcoleus dit cluster doormiddel van horizontale gen overdracht van δ-Proteobacteria of Chlorobi heeft gekregen. AV – Anabaena variabilis ATCC 29413; CY – Cyanothece PCC7424; CT – Chlorobium tepidum; SF  – Syntrophobacter fumaroxidans MPOB;  DV – Desulfovibrio vulgaris

Er worden op dit moment vier cyanobacteriële genomen door ons geanalyseerd: Lyngbya aestuariiMicrocoleus chthonoplastesNodularia spumigena en Cyanothece sp. Deze studies geven een omvattend overzicht van de dynamica van genen en regionen in deze cyanobacteriële genomen. Deze studies zullen ook inzicht geven in de adaptatie en evolutionaire processen op veronachtzaamde niveaus van microbiële diversiteit. Er zijn aanwijzingen voor moleculaire adaptatie in een aantal cyanobacteriële genen die betrokken zijn bij de fotosynthese, stikstoffixatie, gastheer verdediging en circadiaanse ritmes en genen van ‘selfish’ elementen. De toename van de genoomdata maakt het nu mogelijk om hypothesen te formuleren over de moleculaire adaptatie van grotere genoom regionen.

GC scan

GC scan van de nitrogenase cluster van Microcoleus die laat zien dat er een diepe dip is links en rechts van het cluster die erop wijzen dat dit stuk door horizontale overdracht in het genoom van Microcoleus terecht is gekomen.

Diversiteit en ecologie van cyanobacteriën

Fototroof picoplankton is de dominante primaire producent in aquatische ecosystemen. Deze groep organismen is heel divers en het is duidelijk geworden dat verschillende types co-existeren en aan specifieke niches zijn aangepast. Veel picoplankton is aangepast aan het gebruik van bepaalde nutriënten (bijvoorbeeld stikstof) of aan licht. Veel soorten hebben zich bovendien aangepast aan het efficiënte gebruik van een deel van het onderwater lichtspectrum door het produceren van specifieke pigmenten.

Fototroof picoplankton

Kleurrijke diversiteit van fototroof picoplankton.

Wij bestuderen de genetische diversiteit van fototroof picoplankton in reinculturen, analyseren hun eigenschappen en proberen hun niche in de natuurlijke omgeving te identificeren. Daarbij maken wij gebruik van verschillende technieken zoals onder meer flow cytometrie en fluorescent in situ hybridisatie. Dit onderzoek breidt zich nu ook uit naar cyanobacteriën in microbiële matten.

Fluorescence microscopy phytoplankton

Microscopische beeld van twee soorten picoplankton opgenomen met autofluorescentie. De rode soort fluoresceert oranje, de groene soort rood. De twee soorten verschillen in grootte en in groeisnelheid. Onder bepaalde omstandigheden komen beide soorten naast elkaar voor, waarbij ze het lichtspectrum onderling verdelen.

Fotosynthese in marien fytoplankton en microfytobenthos

Het doel van dit onderzoek is de integratie van fotosynthese met het stroomafwaarts gebruik van de primaire producten van fotosynthese, om zodoende te kunnen begrijpen hoe lichtabsorptie leidt tot groei. De belangrijkste onderzoeksvraag is het lot van het gefixeerde koolstof en hoe de stroom naar de metabolieten poelen in verschillende organismen gereguleerd is. De benadering is een combinatie van ecologische, fysiologische, biofysische, biochemische en moleculair biologische methodes.

De centrale vraag is hoe de relatie tussen lichtabsorptie, PSII ladingscheiding (de primaire fotochemische reactie in PSII) en CO2 fixatie gereguleerd is. Fotosynthese is gedefinieerd as de conversie van licht in biochemische energie. Nadat de primaire fotochemische reactie heeft plaatsgevonden, genereert de fotosynthetische elektronentransportketen de ΔpH die nodig is voor ATP synthese en de NADH wordt stroomafwaarts bij PSI gevormd. Samen levert dit de energie en reductie equivalenten die nodig zijn in de Calvin-Benson-Bassham cyclus voor CO2 fixatie.

De elektronen die door fotosynthese worden gegenereerd kunnen echter ook alternatieve routes gaan. Deze routes zijn bijvoorbeeld de Mehler reactie/water-tot-water cyclus, PSII cyclische elektronentransport (een in wieren slecht begrepen proces waarbij cytb559 betrokken is), (bovenmatige) nitraat reductie, en een chloroplast terminale oxidase (PTOX) welke gelokaliseerd is aan de stroma zijde van de thylakoide membraan. PTOX is nauw gerelateerd aan de cyanide resistente alternatieve oxidase uit mitochondria en kan geremd worden door propyl gallate (PGAL) of SHAM. De functie van PTOX is onduidelijk, maar er is verondersteld dat het zou kunnen functioneren als een veiligheidsklep voor PSII. Andere onderzoeken wijzen op een functie als veiligheidsklep voor PSI.

Het fotobiologie onderzoek richt zich op hoe stressvolle condities de relatie tussen PSII elektronentransport en CO2 fixatie beïnvloeden en bestudeert processen die zijn gerelateerd aan dynamische (xanthofyl cyclus, PSII cyclische elektronentransport) en chronische (beschadiging van D1 eiwit, stimulatie van psbA expressie) neerregulatie van PSII. Het zou interessant zijn te zien of verschillende taxa van wieren die dezelfde niche bezetten, dezelfde algemene patronen van stressresponse vertonen. Dit is niet altijd het geval. De picocyanobacteriën Synechococcus en Prochlorococcus hebben twee verschillende strategieën. Synechoccoccus acclimatiseert aan hoge lichtintensiteit vooral door een hogere turnover van de hoge lichtintensiteit vorm van D1 (cyanobacteriën hebben twee vormen van D1), terwijl de resistentie voor hoge lichtintensiteit van Prochlorococcus vooral werd verkregen door een toename van de hoog licht induceerbare eiwitten (gecodeerd door de hli genen) en door PTOX (Berg et al. 2011).

Het fotobiologische onderzoek omvat de volgende projecten:

1. De relatie tussen PSII elektronentransport en C-fixatie in verschillende milieus.

De benodigde quanten voor koolstoffixatie varieert tussen de verschillende meetstations in het Oosterschelde estuarium. In het algemeen is 4 het theoretische minimum aantal quanten voor koolstoffixatie (Φe,C-1). Er is echter een variatie in dit getal van jaar tot jaar. In het kader van het EU-FP7 project PROTOOL werd een meta-analyse van deze quantenvraag gedaan, op basis waarvan regionale algoritmes werden ontwikkeld die Φe,C kan voorspellen als een functie van milieufactoren zoals zoutgehalte, temperatuur en concentratie van voedingsstoffen.

Fotoefficientie in de Oosterschelde

De kwantum behoefte voor CO2 fixatie gevolgd gedurende twee jaren en op verschillende meetstations in de Oosterschelde laten variaties zien die afwijken van de theoretische waarde 4.

2. Wat is de rol van alternatieve elektronenputten?

Dit project onderzoekt hoe de Mehler reactie, PTOX of PSII cyclische elektronentransport de relatie tussen PSII en PSI activiteit beïnvloedt en hoe nutriëntbeperking alleen of in combinatie met hoge lichtintensiteit daar een rol bij speelt. Het belang van compenserende veranderingen in de activitiet van PSII (toenemende turnover tijd) staat centraal bij deze vraagstukken. Het begrijpen hoe dit proces in zijn werk gaat en hoe het varieert tussen verschillende soorten zouden voorspellingen mogelijk maken en geeft de mogelijkheid om automatische fluorimeters gebaseerd op de FRRF techniek te plaatsten op vele soorten platforms (veerboten, onderzoeksschepen, slimme boeien). Dit zou dan kunnen leiden tot een meer omvattende beeld van CO2 fixatie in de oceaan. Daarenboven kan dit gecombineerd worden met andere automatische optische metingen zoals hyperspectrale oppervlakte reflectie.

PTOX is actief in monsters genomen van de Atlantische Oceaan. Remming van PTOX door propyl gallaat (PGAL) resulteerde in een toename van F en Fm’ en een afname van de effectieve quanten efficiëntie. PTOX activiteit verzekert dus een efficiënte PSII elektronentransport. Het is moeilijk om te bepalen of het effect veroorzaakt werd door de remming van de veiligheidsklep functie van PSII of dat het effect indirect was doordat PSI cyclische elektronentransport geremd was.

Eerdere resultaten lieten zien dat gedurende normale steady state fotosynthese de Mehler reactie een behoorlijk groot deel van de totale fotosynthetische elektronen stroom (tot 20-30%) en 50% van de totale light gestimuleerde zuurstof opname. De Mehler reactie activiteit spiegelt de fotosynthese snelheid.

Door licht geremde PSII reactie centra verlenen bescherming tegen licht door de verspilling van de teveel geabsorbeerde licht energie. De overige functionele PSII reactie centra kunnen eventueel hun activiteit doen toenemen en zodoende voor het verlies van actieve reactie centra compenseren. DCMU titratiecurves in laaglicht (LL) en onder hoge lichtintensiteit (HL) gekweekte cellen van de eencellige cyanobacterie Microcystis laten zien dat de maximum snelheid van de elektronen transport snelheid (ETR) meer wordt aangetast dan de CO2 fixatie. In de LL cellen kunnen tot 34% van de PSII reactiecentra worden geïnactiveerd totdat de maximum snelheid van de CO2 fixatie wordt aangetast. Voor de HL cellen is dit 25% van de PSII reactiecentra. Dit kan verklaard worden door de versnelde PSII re-oxidatie. LL cellen hebben een grotere PSII capaciteit dan HL cellen en dit kan worden toegeschreven aan het feit dat LL cellen meer pigment bezitten en daarom meer licht absorberen als ze een oppervlakte bloei vormen.

DCMU titratiecurves

DCMU titratie curves in cellen van de cyanobacterie Microcystis gekweekt onder laag licht (LL) en hoog licht (HL). De maximum elektronen transport snelheid (ETR) is meer aangetast dat CO2 fixatie. In de LL cellen moet tot 34% van de PSII reactie centra geïnactiveerd worden alvorens de maximum CO2 fixatiesnelheid getroffen wordt. Voor HL cellen is dit 25%.

3. Hoe komen de dagelijkse patronen in de fotosynthese tot stand?

Experimenten met een gesynchroniseerde cultuur van diatomeeën (kiezelwier) laten zien dat de fotosynthetische activiteit gerelateerd is aan de celcyclus. De fotosynthetische activiteit was het laagst net voor de celdeling als de meeste cellen in de G2/M fase zijn. Dit onderzoek richt zich op het verder ophelderen van de rol van de celcyclus en op het beantwoorden van de vraag of moleculaire klokken betrokken zijn bij het reguleren van de fotosyntheseactiviteit. Een andere vraag is of deze processen ook het gedrag beïnvloeden zoals de verticale migratie van benthische diatomeeën of dat het eerder de biofysische fotoprotectie bepaalt.

De fotosynthetische activiteit van PSII in fytoplankton past zich aan gedurende het verloop van een dag. Tijdens het middaguur wordt ETRmax geactiveerd, hetgeen gepaard gaat met een verlaging van de licht-beperkte fotosynthetische efficiëntie (αETR). Het is niet bekend of dit patroon wordt bepaald door de dagelijkse lichtcyclus of dat de celcyclus of een moleculaire klok erbij betrokken is.

Microfytobenthos past zijn fotosynthetische activiteit gedurende de dag-nacht cyclus aan en reguleert het omlaag gedurende de nacht. Belangrijker is het feit dat de verticale migratie van benthische diatomeeën in het sediment onder controle is van een klok, omdat dit proces gedurende verschillende dagen in het donker doorgaat in de afwezigheid van milieu stimuli zoals dag-nacht en getijden cycli. De verticale migratie door microfytobenthos bepaalt dus voor een belangrijk deel de biochemie van de diatomeeën biofilm.

Rapid Light Curves

De parameters die een snelle licht curve (RLC) beschrijven. rETRmax is de maximum snelheid van PSII elektronen transport. Ieder meetpunt is het resultaat van een fit van RLC. Deze resultaten, verkregen met behulp van de FRRF techniek, laat een ongekende hoge tijdresolutie van fotosynthetische activiteit zien.

4. Fotoprotectie

Hoge licht intensiteiten veroorzaken schade in alle fototrofe organismen, tenzij deze over beschermende mechanismen beschikken. Verschillende genen die betrokken zijn bij de fotosynthese kunnen een rol bij de fotoprotectie spelen. Daaronder zijn rbcL (Rubisco, grote ondereenheid), psbA (D1 eiwit), genen die coderen voor chlorofyl a en hli genen (High Light Inducible Proteins). Sommige HLIPs zijn betrokken bij de fotoprotectie maar andere kunnen een rol spelen bij verschillende soorten stress responses. Een analyse van de HLIPs van 3 estuariene cyanobacteriën liet zien dat de diversiteit van deze genen van een enkel organisme net zo groot is als tussen verschillende soorten en dat deze genen waarschijnlijk onderhevig zijn van horizontale gen transfer.

We bestuderen de activiteit van genen die betrokken zijn bij fotoprotectie en relateren dit aan de fysiologische response van de organismen ten gevolge van de blootstelling aan hoge lichtintensiteiten. We zoeken naar de functionele analoog van de psbS gen in wieren van de rode fylogenetische komaf (b.v. diatomeeën). Het product van de psbS in hogere planten speelt een sleutelrol bij de verspilling van overbodige energie door het binden van protonen en zeaxanthine en initieert zodoende een verandering in de structuur waardoor de snelheidsconstante van warmteverlies toeneemt. Dit onderzoek zal ook de rol van de hli genen en die van psbA bestuderen. Verder bestuderen wij de activiteit van genen betrokken bij fosfaatopname onder fosfaat-beperkende omstandigheden.

Koolstofmetabolisme in mariene fototrofe micro-organismen

Fotosynthese is de omzetting van licht in biochemische energie. Deze energie wordt gebruikt voor de fixatie van CO2 in organische stof. Dit proces wordt aangeduid als primaire productie en vormt de basis van het voedsel web. Ons onderzoek richt zich op het ophelderen van het lot van recent gefixeerde CO2 in marine fototrofe micro-organismen. Fotosynthese, CO2 fixatie, en het lot van de gefixeerde koolstof zijn nauw met elkaar verbonden. Wij proberen antwoorden te vinden op de volgende vragen:

1. Hoeveel van het nieuw gefixeerde koolstof gaat verloren door respiratie?

Wij onderzoeken hoe respiratie afhangt van milieuomstandigheden zoals de troebelheid van het water en de voedingstoffenconcentraties, en hoe dit varieert tussen verschillende taxa. Dit zal ons vervolgens toestaan om de elektronenbehoefte van netto koolstoffixatie te bepalen (d.w.z de elektronenbehoefte van groei).

2. Wat stuurt de uitscheiding en opslag van koolstof?

De gefixeerde koolstof kan of voor de synthese van structureel celmateriaal gebruikt worden of voor ander, niet-structurele verbindingen. Een deel van het gefixeerde koolstof kan worden uitgescheiden bijvoorbeeld als extracellulaire polymere substanties, of als glycollate, het resultaat van fotorespiratie, en een ander deel kan intracellulair worden opgeslagen. Dit kan het gevolg zijn van niet gebalanceerde koolstofmetabolisme wanneer er tekorten zijn van essentiële voedingsstoffen, zoals stikstof, maar kan ook het normale metabolisme van de cel dienen. Koolstof opslag is nodig voor het continueren van het cellulaire metabolisme (groei en/of onderhoud) gedurende de nacht wanneer fotosynthese niet plaats kan vinden, of kan dienen als een buffer voor elektronen (bijvoorbeeld in het geval van neutrale lipiden). Dit laatste heeft ook belangrijke implicaties voor toegepast onderzoek (bijvoorbeeld de productie van biodiesel door fototrofe micro-organismen). Dit onderzoek volgt twee types van experimentele benaderingen.

13-C incubation

Het merken van een monster van een fotobioreactor met de mariene groenwier Tetraselmis met 13C bicarbonaat. Met behulp van HPLC-IRMS werd de snelheid gemeten waarmee het gemerkte koolstof in verschillende koolhydraten (gehydrolyseerd tot monomeren) terecht kwam. Glucose liet de hoogste snelheid zien, maar er werd ook een behoorlijke hoeveelheid in galactose aangetroffen. Dit is een celwand suiker en is daarom indicatief voor de groeisnelheid.

Ten eerste volgen we de snelheid van labelen van poelen van metabolieten door het stabiele isotoop van koolstof (13C) als een functie van milieuomstandigheden. Ten tweede zullen we expressiepatronen volgen van sleutelenzymen betrokken bij de opslagroutes onder verschillende en fluctuerende milieuomstandigheden en zullen meer te weten komen over de ‘lipide schakel’, de metabolische schakel die de opslag van lipiden bepaalt. Deze enzymen zijn o.a. ADP-glucose pyrofosforylase (zet glucose-1-fosfaat om in ADP-glucose, een sleutel enzym voor de opslag van glucose als een glucose polymeer, en genen die enzymen coderen die betrokken zijn bij de lipide synthese: C16:0: Acetyl-CoA carboxylase (ACCase) en FA synthase (FAS), die de verlenging tot C16:0 faciliteert, en desaturases, die onverzadigde vetzuren vormt.

3. Hoe werkt het koolstof concentratie mechanisme (CCM) onder fluctuerende pCO2?

We bestuderen de rol van alternatieve elektronen putten bij lage pCO2. Dit onderzoek is relevant voor oceaanverzuring maar ook voor het ontwerpen van fotobioreactoren met hun inherente hoge concentratie van biomassa en dus grote fluctuaties van pCO2. Lage pCO2 (lage DIC) en hoge pO2 vormen een lastige combinatie voor microbiële wieren en voor cyanobacteriën omdat het de oxygenase reactie van Rubisco stimuleert (fotorespiratie)n daarom kan een lage DIC de fotosynthese beperken. Ons onderzoek richt zich op het ophelderen van de strategieën die microbiële wieren en cyanobacteriën hebben ontwikkeld om deze omstandigheden het hoofd te kunnen bieden. Dit onderzoek is van eminent belang voor toegepast onderzoek, vooral voor wat betreft het gebruik van microbiële wieren voor de productie van derde generatie biobrandstoffen.

Structuur en functie van microbiële gemeenschappen in mariene sedimenten

Mariene sedimenten spelen een belangrijke rol bij de mineralisatie van organische stof. Het mineraliseren van organische stof wordt vooral gedaan door de zeer diverse microbiële gemeenschap. Het is echter gebleken dat het moeilijk is om deze processen aan de microbiële gemeenschapsstructuur te relateren, omdat veel van de aangetoonde micro-organismen geen vertegenwoordigers in laboratoriumcultuur hebben. Daarom blijft hun rol in biogeochemische processen en interacties met andere leden van de gemeenschap onbekend.

diatom biofilmSEM picture biofilm

Een biofilm van kiezelwieren op een getijden slikplaat (links) en een scanning electron microscopische opname ervan (rechts).

Wij proberen dit gat in onze kennis van de structuur-functie relatie in microbiële gemeenschappen te dichten door het toepassen van technieken met stabiele isotopen, waarmee we processen kunnen volgen, te combineren met biologische markers zodat we de actieve, functionele groepen van micro-organismen kunnen identificeren. Een focus is de ontwikkeling van een protocol voor het invangen van rRNA doormiddel van magnetische bolletjes die specifieke fylogenetische groepen van sulfaatreducerende bacteriën kunnen onderscheiden. We bestuderen ook hoe functionele groepen van bacteriën zich verhouden tot algemene milieukenmerken zoals koolstof mineralisatie snelheden.

Chemoautotrofie in mariene sedimenten

Wij bestuderen chemoautotrofe bacteriën vanwege hun belang voor de re-oxidatie van gereduceerde verbindingen zoals sulfide en ammonium die in anaerobe sedimenten worden geproduceerd. Re-oxidatie is een belangrijk proces in kustsedimenten en is verantwoordelijk voor 70% van de zuurstofflux. Wij bestuderen chemoautotrofie door het merken met 13C-bicarbonaat van sediment in het donker en volgen deze merker vervolgens in lipiden zoals PLFA en archaea etherlipiden. Hierdoor kunnen wij de snelheden en verdeling van chemoautotrofie bestuderen in relatie tot de redoxzones in het sediment. Evenzo kunnen wij ook de actieve microbiële groepen identificeren. We zijn verder van plan om de actieve chemoautotrofe bacteriën te identificeren door het bestuderen van de diversiteit van de functionele sleutelgenen die betrokken zijn bij de verschillende chemoautotrofe metabolische routes zoals die in bacteriën en archaea gevonden worden.

De stikstofcyclus in kustzeeën

De microbiële stikstof cyclus bestaat uit een assimilatie en een dissimilatie deel. In het eerste worden stikstofverbindingen opgenomen door micro-organismen om te worden gebruikt voor de synthese van structurele cel componenten en dus voor groei. De stikstof komt weer vrij in het milieu na de dood en decompositie van het organisme. Bijna alle vormen van stikstof kunnen door micro-organismen worden opgenomen, met uitzondering van stikstof gas (N2) dat 78% van onze atmosfeer uitmaakt. Lucht is de grootste bron van stikstof in de biosfeer. Alleen gespecialiseerde bacteriën en een enkele archaea kunnen met behulp van het enzym nitrogenase de sterke binding tussen de twee stikstofatomen breken en het N2 assimileren. In de cel is stikstof in de gereduceerde vorm aanwezig. Uiteindelijk wordt ammoniak uit de organische stikstof vrijgemaakt en in het milieu afgegeven. De oxidatie van ammonium levert energie op (dissimilatie) dat gebruikt wordt voor de fixatie van CO2 (chemosynthese). Aerobe chemosynthetische bacteriën kunnen ammonia oxideren tot nitriet (nitritificatie). In de zee lijken archaea (Thaumarchaeota) daarvoor verantwoordelijk. Andere chemosynthetische bacteriën oxideren nitriet tot nitraat (nitratificatie). Onder anaerobe condities kan ammonium met nitriet geoxideerd worden tot N2 (ANAMMOX). Nitraat kan worden gerespireerd (anaerobe ademhaling) en gereduceerd tot nitriet, wat op zijn beurt gereduceerd kan worden tot ammonia. Denitrificatie is de reductie van nitriet tot N2 (en andere gasvormige stikstofverbindingen).

N-cycle

Schema van de stikstofcyclus in een marien sediment.

In dit project onderzoeken we snelheden waarmee de verschillende stappen in de stikstofcyclus optreden en welke organismen daarbij betrokken zijn. We willen daarbij ook te weten komen of de stikstofcyclus in tijd en ruimte gescheiden optreedt in de Waddenzee en de aanpalende Noordzee. Daarbij worden stikstofverbindingen gebruikt die gemerkt zijn met het stabiele 15N isotoop. Met behulp van massaspectrometrie kunnen de omzettingen van deze verbindingen gevolgd worden. De diversiteit van functionele genen die coderen voor enzymen die bepaalde stappen in de stikstofcyclus katalyseren wordt bepaald doormiddel van kloonbibliotheken en met behulp van de microarray ‘Geochip’ en hun activiteit bepaald door de kwantitatieve analyse van de transcripten.

De fixatie van stikstof door cyanobacteriën

Nitrogenase, het enzym dat verantwoordelijk is voor de stikstoffixatie, is buitengewoon gevoelig voor zuurstof en de omzetting van N2 naar ammonium vraagt bovendien een grote hoeveelheid energie. Cyanobacteriën zijn organismen met een fotosynthese apparaat dat lijkt op die van groene planten en dat ook zuurstof vormt. Veel cyanobacteriën kunnen N2 fixeren maar dat lijkt in contradictie met de zuurstofgevoeligheid van het proces. Deze cyanobacteriën hebben echter verscheidene aanpassingen ontwikkeld om aan de voorwaarden voor stikstoffixatie te voldoen. Stikstoffixerende cyanobacteriën kunnen in vier groepen worden ingedeeld, al naargelang de strategie die zij hebben ontwikkeld om de incompatibiliteit van stikstoffixatie en oxygene fotosynthese te omzeilen.

Diazotrophic cyanos

Stikstoffixerende cyanobacteriën. Linker kolom: heterocysten-vormende cyanobacteriën. Middelste kolom: niet-heterocysten-vormende draadvormige cyanobacteriën. Rechter kolom: eencellige cyanobacteriën.

Een grote groep cyanobacteriën heeft geen speciale adaptatie en kan alleen N2 fixeren onder anaerobe omstandigheden. De meest geavanceerde aanpassing is de cel differentiatie waarbij speciale stikstoffixerende cellen worden gevormd (heterocysten) die een speciale celwand hebben die de gasdiffusie beperkt en die alleen anoxygene fotosynthese kunnen bedrijven.

Heterocystous cyano

Heterocyst. De heterocyst heeft alleen de anoxygene fotosysteem I en heeft een dikke celwand die als een diffusie barrière dient voor lucht.

De meeste cyanobacteriën die geen heterocysten kunnen vormen fixeren N2 gedurende de nacht wanneer geen fotosynthese mogelijk is. De draadvormige cyanobacterie Trichodesmium, die in de tropische oceaan grote bloeien kan vormen, fixeert stikstof overdag, terwijl het geen heterocysten vormt. Wij bestuderen stikstoffixerende cyanobacteriën in de pelagische open oceaan en in estuaria en kustzeeën evenals in microbiële matten.

Wij bestuderen de aanpassingen die stikstoffixerende cyanobacteriën hebben ontwikkeld en onderzoeken hoe deze door de omgevingsfactoren worden opgelegd. Dit gebeurd in veldonderzoek maar de sleutelorganismen worden ook geïsoleerd en hun eigenschappen in reincultuur in het laboratorium bestudeerd. We gebruiken een combinatie van metingen van stikstoffixatie doormiddel van de acetyleenreductie methode en stabiele isotoop technieken en moleculair genetische benaderingen bijvoorbeeld door het meten en kwantificeren van de expressie van functionele genen en door fluorescentie in situ hybridisatie.

Isolatie, identificatie, cultivatie, bewaren van microalgen en cyanobacteriën

De werkgroep Mariene Microbiologie onderhoudt een unieke collectie van (mariene) cyanobacteriën en microscopische wieren. De Cultuur Collectie Yerseke (CCY) omvat momenteel ~500 stammen: ~300 cyanobacteriën, ~150 diatomeeën, en ~50 eukaryote wieren, waarvan de meeste beschikbaar zijn als reinculturen. In dit project verbeteren we de methoden, media, en cultuurcondities voor de isolatie en kweek van fototrofe micro-organismen, identificeren de geïsoleerde stammen feno- en genotypisch en ontwikkelen we protocollen voor hun langdurige (cryo) bewaartechnieken.

CCY

Curator CCY

Blik in een van de klimaatkamers van de Cultuur Collectie Yerseke (links) en de curator aan het werk (rechts).

Over tsjok45
Gepensioneerd . Improviserend jazzmuzikant . Instant composer. Jamsession fanaat Gentenaar in hart en nieren

2 Responses to Mariene Microbiologie

  1. Pingback: Laterale(LGT )/Horizontale gentransfert(HGT)Horizontale genoverdracht (HGO) | Tsjok's blog

  2. Pingback: INHOUD L/M/N | Tsjok's blog

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

%d bloggers op de volgende wijze: