(Nährstoff)-Not macht marine Mikroorganismen erfinderisch

Neues aus der Forschung

Meldung vom 24.03.2014

In der Natur ist Knappheit an lebenswichtigen Ressourcen ein Grund für Pflanzen oder Tiere sich zu spezialisieren.


140324-1103_medium.jpg
 
Der Chemiker Friedrich Hammerschmidt und die Dissertantin Katharina Schiessl.
Universität Wien
Laura M. van Staalduinen, Fern R. McSorley, Katharina Schiessl, Jacqueline Séguin, Peter B. Wyatt, Friedrich Hammerschmidt, David L. Zechel, and Zongchao Jia. 2014. Crystal structure of PhnZ in complex with substrate reveals a new di-iron oxygenase mechanism for catabolism of organophosphonates. PNAS 2014
DOI: 10.1073/pnas.1320039111

Auch in der Welt der Mikroorganismen ist Anpassung ein oft genutztes (Über-)Lebensrezept. Der Chemiker Friedrich Hammerschmidt und seine Doktorandin Katharina Schiessl von der Universität Wien haben gemeinsam mit einem internationalen Wissenschaftlerteam aus Kanada einen bisher unbekannten biologischen Abbauweg von Phosphonaten in marinen Mikroorganismen erforscht. Phosphonate stellen die eiserne Phosphorreserve der Biosphäre dar. Die Ergebnisse werden nun im renommierten Fachmagazin "PNAS" publiziert.

Phosphor - ein lebenswichtiger Nährstoff

Phosphor ist einer der wichtigsten Nährstoffe. Jede Zelle benötigt ihn, um zu wachsen und sich zu vermehren. Daher nehmen alle Lebewesen Phosphor aus ihrer Umwelt auf und bauen ihn in unterschiedliche Zellstrukturen ein. Ein wichtiges Beispiel für ein Molekül, das nicht ohne Phosphor auskommt, ist die DNA, die unsere Erbinformation trägt. Die meisten Organismen können Phosphor nur in Form von Phosphat nutzen. Das sind Moleküle, in denen das Phosphoratom an ein Sauerstoffatom gebunden ist, das wiederum an einem Kohlenstoffatom hängt. Diese kommen zwar praktisch überall im Boden vor, allerdings nicht immer in ausreichender Menge, weswegen man sie neben Stickstoff und Kalium Düngemitteln zusetzt.

Phosphate vs. Phosphonate

Es gibt allerdings auch Moleküle, in denen der Phosphor direkt an ein Kohlenstoffatom gebunden ist – ohne Sauerstoff als Bindeglied. Diese Verbindungen nennt man (Organo)Phosphonate. Sie können im Labor hergestellt werden und kommen als Herbizide und Medikamente zum Einsatz. Somit werden sie auch in die Umwelt freigesetzt. Es sind sehr stabile Verbindungen, die weder von Wasser, noch von Luft oder Licht zersetzt werden können.

Phosphonate können aber auch natürlichen Ursprungs sein. Es gibt einige Mikroorganismen, die Phosphonate herstellen, indem sie Phosphate aufnehmen und umbauen. Die am häufigsten in der Natur anzutreffende Verbindung ist die 2-Aminoethylphosphonsäure (2-AEP).

Eiserne Reserven

"Phosphonate stellen die eiserne Phosphorreserve der Biosphäre dar. Bestimmte Mikroorganismen können sie im Falle eines akuten Phosphatmangels verarbeiten und setzen so den enthaltenen Phosphor wieder in Form von Phosphat in die Umwelt frei. Dies entspricht einer Art Phosphorrecycling", erklärt Friedrich Hammerschmidt vom Institut für Organische Chemie der Universität Wien. Die oberflächennahen Meerwasserschichten der Ozeane sind eine solche phosphatarme Zone der Biosphäre. Sie enthalten aber Phosphonate, insbesondere 2-AEP. "Wir wissen, dass es diverse marine Mikroorganismen gibt, die 2-AEP abbauen und damit als Phosphorquelle nutzen können. Die für sie lebensbedrohliche Phosphornot zwang die Mikroorganismen, sich neue, alternative Phosphorquellen zu erschließen", so Hammerschmidt weiter.

Bisher waren zwei verschiedene Wege bekannt, die es Mikroorganismen ermöglichen, 2-AEP als Phosphorquelle zu nutzen. Hammerschmidt und sein Team erforschten nun zusammen mit Kooperationspartnern einen bisher unbekannten biologischen Abbauweg von 2-AEP: Im ersten Schritt dieses Abbauvorgangs bildet ein Enzym (PhY) eine Zwischenstufe, die es dem zweiten Enzym (PhZ) erlaubt, die sehr stabile Phosphor-Kohlenstoff-Bindung zu spalten und somit Phosphat freizusetzen. "Auf diese Weise kann sich der Mikroorganismus in einer akuten Notsituation an den ansonsten unzugänglichen Phosphorreserven der Biosphäre bedienen", meint der Chemiker. Er kann sich somit einen Vorteil in besonders phosphatarmen Habitaten verschaffen.

Internationale Kooperation

Im konkreten Fall haben die Kooperationspartner in Kanada durch Mutation E. coli-Bakterien gezüchtet, die das PhZ-Enzym aus marinen Mikroorganismen produzieren. So war es ihnen möglich, das Enzym in ausreichender Menge zu gewinnen, zu reinigen und seine dreidimensionale Struktur zu bestimmen. Um den Mechanismus aufzuklären, mit dem dieses Enzym arbeitet, hat die Dissertantin Katharina Schiessl das Zwischenprodukt des 2-AEP-Abbaus und einige strukturelle Analoga hergestellt. David Zechels Arbeitsgruppe von der Queen’s University Kingston (Kanada) untersuchte mit Hilfe dieser Verbindungen die Spaltung der Phosphor-Kohlenstoff-Bindung durch das PhZ-Enzym.

Die Arbeitsgruppe von Friedrich Hammerschmidt am Institut für Organische Chemie der Universität Wien beschäftigt sich schon lange mit der Biosynthese und dem Bioabbau von natürlich vorkommenden Phosphonsäuren. Da jährlich viele Tonnen an Phosphonaten in die Umwelt gelangen, ist deren Verbleib in der Biosphäre und damit ein besseres Verständnis des globalen Phosphorkreislaufs von enormem Interesse für die Forschung.


Diese Newsmeldung wurde erstellt mit Materialien von idw-online


News der letzten 7 Tage

www.biologie-seite.de 14 Meldungen

Meldung vom 17.05.2019

Echoortung von Fledermäusen - Exzellente Navigation mit wenig Information

LMU-Forscher widerlegen bisherige Annahmen über die Echoortung: Fledermäuse haben deutlich weniger räumlich ...

Meldung vom 17.05.2019

Neues Petersilien-Virus von Braunschweiger Forschern entdeckt space

Neues Petersilien-Virus kommt im Raum Braunschweig und anderen Teilen Deutschlands vor.

Meldung vom 16.05.2019

Bettgenosse gesucht: Wer war der erste Wirt der Bettwanzen

Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter der kooperativen Leitung des TUD Biologen Prof. Klaus Rein ...

Meldung vom 15.05.2019

Schimpansen graben mit Werkzeugen nach Futter

Forschungsteam filmt im Zoo erstmals, wie die Menschenaffen vorgehen, um an vergrabene Leckereien zu kommen.

Meldung vom 15.05.2019

Übersatte Bakterien machen den Menschen krank

SFB 1182-Forschungsteam schlägt in einer neuen Hypothese vor, dass Entzündungskrankheiten durch ein Nahrungs ...

Meldung vom 15.05.2019

Große Fragen zur Rolle mikroskopischen Lebens für unsere Zukunft

Wie Mikroorganismen die dynamische Entwicklung unserer Erde beeinflussen.

Meldung vom 15.05.2019

Wälder tragen weniger zum Klimaschutz bei als vermutet

Eine Studie mit Beteiligung der Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL könnte ein Dämp ...

Meldung vom 15.05.2019

Ausgezirpt - Drastischer Biomasseverlust bei Zikaden in Deutschland

In der April- Ausgabe der vom Bundesamt für Naturschutz herausgegebenen Zeitschrift „Natur und Landschaft ...

Meldung vom 14.05.2019

Relaisstation im Gehirn steuert unsere Bewegungen

Die Relaisstation des Gehirns, die Substantia nigra, beherbergt verschiedene Arten von Nervenzellen und ist f ...

Meldung vom 14.05.2019

Archaeopteryx bekommt Gesellschaft

Forscher der Bayerischen Staatssammlung für Paläontologie und Geologie (SNSB-BSPG) sowie der LMU München be ...

Meldung vom 14.05.2019

Geschlechtsreife Aale bauen ihre Knochen ab

Um zu ihren Fortpflanzungsgebieten zu gelangen, schwimmen Europäische Aale mehrere Tausend Kilometer auf die ...

Meldung vom 13.05.2019

Universität Stuttgart benennt neue Bärtierchen-Art: Milnesium inceptum entdeckt

Eine neue Bärtierchen-Art wurde von Dr. Ralph Schill vom Institut für Biomaterialien und biomolekulare Syste ...

Meldung vom 13.05.2019

Anglerinnen und Angler sorgen für Fischartenvielfalt im Baggersee

Forschende des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) haben zusammen mit Fischere ...

Meldung vom 09.05.2019

Wie Stammzellen ein Gehirn korrekter Größe und Zusammensetzung bauen

Im Laufe der Gehirnentwicklung erzeugen Stammzellen unterschiedliche Typen von Neuronen zu unterschiedlichen Z ...


03.05.2019
Eine Frage der Zeit
24.04.2019
Kraftwerk ohne DNA

06.03.2019
Bindung mit Folgen
16.01.2019
Plötzlich gealtert

19.12.2018
Baum der Schrecken
07.11.2018
Plastik im Fisch
28.09.2018
Gestresste Pflanzen

13.08.2018
Wie Vögel lernen

15.06.2018
Primaten in Gefahr
24.05.2018
Störche im Aufwind
24.03.2014
Kenne Deinen Fisch!
24.03.2014
Leben ohne Altern
24.03.2014
Lebensraum Käse
24.03.2014
Domino im Urwald
24.03.2014
Trend-Hobby Imker
24.03.2014
Wie Bienen riechen

Newsletter

Neues aus der Forschung