Jahrzehntelang gingen Wissenschaftlerinnen davon aus, dass Ammoniak-oxidierende Archaeen eine sehr eingeschränkte Ernährungsweise haben, indem sie sich ausschließlich von Ammoniak, und teils von den einfachen Stickstoffverbindungen Cyanat und Harnstoff ernähren und dabei CO₂ fixieren. Die neue Studie unter der Leitung von Bettina Glasl und Katharina Kitzinger Forscherinnen des Zentrums für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft (CeMESS) an der Universität Wien und mit Beteiligung des Australischen Instituts für Meeresforschung (AIMS) zeigt nun aber, dass symbiotische Ammoniak-oxidierende Archaeen – anders als ihre bislang untersuchten frei lebenden Verwandten – tatsächlich "Flexitarier" sind. Sie nutzen Aminosäuren wie Valin, Leucin und Isoleucin als zusätzliche Nahrungsquellen. Dies deutet auch auf eine bisher unbekannte Fähigkeit hin, wie diese symbiotischen Mikroben mit ihren tierischen Wirten kommunizieren könnten.
Eine uralte Symbiose
Meeresschwämme gehören zu den ältesten Tieren. Ihre einfachen Körper beherbergen eine Vielzahl von Mikroorganismen. Diese Partnerschaft, auch Symbiose genannt, ist für das Überleben der Schwämme in den Ozeanen von großer Bedeutung. Ammoniak-oxidierende Archaeen zählen zu den wichtigsten Symbionten von Meeresschwämmen. Sie gelten als die mikroskopisch kleine "Müllabfuhr" des Schwamms, da sie giftiges Ammoniak, ein Stoffwechselabfallprodukt, entfernen.
Bisher nahm man an, dass sie strikte "Chemolithoautotrophe" sind: Sie gewinnen Energie aus anorganischen Verbindungen, in diesem Fall Ammoniak, und nutzen CO₂ als Kohlenstoffquelle.
Erste Hinweise darauf, dass die symbiotischen Ammoniak-oxidierenden Archaeen möglicherweise flexibler sind, lieferten ihre Genome. Anders als viele freilebende Ammoniak-oxidierende Archaeen besitzen sie Gene für Transporter, die verzweigtkettige Aminosäuren aufnehmen können. Die neue Studie liefert nun den ersten direkten experimentellen Nachweis, dass symbiotische Ammoniak-oxidierende Archaeen tatsächlich Mixotrophe sind, die sich eben sowohl von CO₂ als auch von den organischen Aminosäuren ernähren.
Den Aktivitäten einzelner Mikroben auf der Spur
Die Forscher*innen untersuchten den Korallenriffschwamm Ianthella basta, auch "Elefantenohrschwamm" genannt, und seinen Ammoniak-oxidierenden Symbionten Nitrosospongia ianthellae. Mithilfe einer innovativen Kombination aus hochmodernen chemischen und mikroskopischen Bildgebungsverfahren, darunter NanoSIMS, konnten sie die Ernährungsweise einzelner Symbiontenzellen innerhalb ihres Schwammwirts verfolgen. "Die große Herausforderung bestand darin, nachzuweisen, welche spezifischen Zellen innerhalb des Schwamms die Aminosäuren aufnehmen", sagt Katharina Kitzinger, Co-Leitautorin der Studie und Spezialistin für Einzelzellanalyse. "Wir konnten sehen, wie die markierten Aminosäuren in einzelne Symbiontenzellen eingebaut wurden. So konnten wir die Identität einer Zelle direkt mit ihrer Funktion verknüpfen, anstatt uns ausschließlich auf Vorhersagen aus dem Genom zu stützen."
Von der Abfallentsorgung zur mikrobiellen Kommunikation
Die Entdeckung geht über die Ernährungsweise der Mikroben hinaus. Da die symbiotischen Ammoniak-oxidierenden Archaeen diese Aminosäuren sowohl aufnehmen als auch produzieren können, könnten sie deren Verfügbarkeit innerhalb ihres uralten tierischen Wirts beeinflussen. "Früher haben wir diese Symbionten in erster Linie als Abfallentsorgungssystem des Schwamms betrachtet", sagt Bettina Glasl, Co-Leitautorin und Expertin für Schwamm-Mikrobiom-Interaktionen. "Indem die Symbionten diese Aminosäuren produzieren und aufnehmen, könnten sie wichtige Signalmoleküle für den Schwamm regulieren. Dies könnte eine Form der Kommunikation zwischen Mikroben und tierischen Wirten sein, deren Wurzeln tief in der Evolution liegen."
Die Forscher*innen vermuten, dass diese Stoffwechselaktivität sogar einen evolutionär konservierten Regulator von Zellwachstum und Stoffwechsel – den so genannten mTOR-Signalweg – beeinflussen könnte.
"Diese Arbeit wäre ohne die enge Zusammenarbeit zahlreicher Kolleg*innen in Österreich und Australien sowie die großzügige Unterstützung des FWF im Rahmen des Exzellenzclusters 'Microbiomes Drive Planetary Health' nicht möglich gewesen", sagt Michael Wagner, Leiter des FWF-Clusters und Letztautor der Studie.
Universität Wien
Originalpublikation:
Bettina Glasl et al.: Branched-chain amino acid assimilation enables mixotrophy of ammonia-oxidizing archaeal sponge symbionts. Science Advances (2026).DOI:10.1126/sciadv.aef9450
