The Candidate phylum "Termite Group". Diversity, distribution, metabolism and evolution of representatives of an unexplored bacterial phylum

Die vorliegende Arbeit umfasst eine Reihe unterschiedlicher Studien, die sich mit dem Phylum Elusimicrobia (ehemaliges Candidatus Phylum "Termite Group") befassen. Neben der Verbreitung des Phylums in der Umwelt stand dabei die Genomsequenz des ersten und bisher einzig kultivierten Vertreters, Elusimicrobium minutum, im Mittelpunkt dieser Arbeit. Weiterhin wurde eine vergleichende Genomanalyse von endosymbiontischen Vertretern dieses Phylums durchgeführt. Im Verdauungstrakt von Insekten befinden sich viele phylogenetisch tief-wurzelnde Gruppen von Bakterien, über deren Physiologie und Funktionen bislang nur wenig bekannt war. Eine dieser phylogenetischen Gruppen ist das Phylum Elusimicrobia. Obwohl Vertreter der Elusimicrobia, die so genannten Endomicrobia, bisher nur als Flagellat-Endosymbionten in Därmen von niederen Termiten und holzfressenden-Schaben bekannt waren, enthielten öffentliche Datenbanken eine Anzahl von nahe verwandten 16S rRNA Sequenzen aus unterschiedlichen Lebensräumen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde mittels gruppen-spezifischer Primer gezeigt, dass Elusimicrobia in der Umwelt weit verbreitet sind und dass neben den bereits bekannten Endomicrobia viele monophyletische Abstammungslinien aus unterschiedlichsten Habitaten existieren. Eine dieser Abstammungslinien besteht aus Sequenzen, die in unterschiedlichen interstinalen Habitaten nachgewiesen wurden. Darunter befand sich auch ein 16S rRNA Gen von E. minutum, dem ersten kultivierten Vertreter des Elusimicrobia phylums, der aus dem Darm der Rosenkäferlarve Pachnoda ephippiata isoliert wurde. Diese Reinkultur war Grundlage für den zweiten Teil der Studie, welcher die physiologische und morphologische Charakterisierung sowie eine Genomanalyse vorsah. Mittels der Genomsequenz konnten die Stoffwechselwege für die wichtigsten Wachstumsubstrate (Glukose, Fruktose, N-acteyl-Glucosamine) nachvollzogen werden. E. minutum besitzt alle Gene für die Aufnahme und Vergärung dieser Zucker mittels des Embden-Meyerhoff-Weges und die anschließende Produktion von Acetat, Ethanol, H2 und CO2. Basierend auf dem Genom wird bei hohem Wasserstoffpartialdruck H2 durch eine [NiFe]-Hydrogenase gebildet. Dieses Enzym kann diese Reaktion wahrscheinlich mit dem Aufbau eines Protonen-Gradienten verbinden (Energie-konvertierende Hydrogenase). Bei niedrigem Wasserstoffpartialdruck nutzt eine [FeFe]-Hydrogenase synergistisch NADH und reduziertes Ferredoxin, um Wasserstoff zu bilden. Das Genom kodiert außerdem einen ungewöhnlichen Peptidabbauweg, bei dem mittels Transamminierung von Aminosäuren aus Pyruvat Alanin entsteht, was auch erklärt, warum Alanine von E. minutum in großen Mengen ausgeschieden wird. Die Funktion der ungewöhnlich hohen Anzahl von pilE Genen (60), die sich im Genom befinden, ist noch unklar, da auch elektronenmikroskopische Bilder keine Art von Zellanhängen aufzeigen. Das Genom des strikt anaeroben Bakteriums besitzt außerdem ein Rubredoxin: Oxygen Oxidoreduktase Operon, welches auf die Möglichkeit zur Reduktion von geringen Mengen Sauerstoff hinweist, was auch in physiologischen Experimenten gezeigt werden konnte. Eine phylogenetische Analyse von 22 verketteten Marker-Genen unterstützte, dass Elusimicrobia ein eigenes Phylum darstellt, und bestätigte die Verwandtschaft zwischen E. minutum und Endomicrobia (repräsentiert durch Candidatus "Endomicrobium trichonymphae" Stamm Rs-D17), die bereits schon anhand der 16S rRNA Analyse beschrieben wurde. Diese Analyse war möglich, da vor kurzer Zeit das Genom von Candidatus "Endomicrobium trichonymphae" Stamm Rs-D17 aus Trichonympha agilis veröffentlicht wurde. Parallel dazu wurde eine Metagenom-Bibliothek von angereicherten CET aus einer Zootermopsis nevadensis-Flagellatensuspension erstellt. Der letzte Teil dieser Dissertation besteht aus dem Vergleich von großen Genomfragmenten der Metagenome-Bibliothek mit dem Genom vom Stamm Rs-D17. Dieser hat gezeigt, dass in unterschiedlichen CET Stämmen parallele Evolution stattgefunden hat, und weist auf Genomneuordnungen ("genome rearrangements") hin. Diese Genomneuordnungen sind wahrscheinlich auf homologe Rekombination zurückzuführen, welche durch horizontalen Transfer von Endomicrobia zwischen Protozoen erleichtert wird. Die Ergebnisse diese Arbeit haben Erkenntnisse über Vielfalt, Verteilung, Metabolismus und Evolution einiger Vertreter des Elusimicrobia Phylums erbracht. Das Genom weist neben den metabolischen Fähigkeiten von E. minutum viele Gene auf, denen nur hypothetische Funktionen, wie eine Polyketidsynthase, zugeordnet werden konnten. Daher gibt es viele bislang noch unentdeckten physiologischen Eigenschaften, deren Untersuchung noch aussteht. Die ausführliche Annotation von E. minutum dient außerdem als Referenz für künftige Annotationen von nahe verwandten Vertretern dieses Phylums.