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4.3.7: Archaeen - Biologie


Lernziele

  • Beschreiben Sie die einzigartigen Merkmale jeder Kategorie von Archaea
  • Erklären Sie, warum Archaeen möglicherweise nicht mit menschlichen Mikrobiomen oder Pathologien in Verbindung gebracht werden
  • Nennen Sie gängige Beispiele für Archaeen, die häufig mit einzigartigen Umweltlebensräumen in Verbindung gebracht werden

Wie Organismen in der Domäne Bakterien sind Organismen der Domäne Archaea alle einzellige Organismen. Allerdings unterscheiden sich Archaeen strukturell in mehrfacher Hinsicht von Bakterien, wie in Unique Characteristics of Prokaryotic Cells diskutiert. Zusammenfassen:

  • Die Zellmembran der Archaeen besteht aus Etherbindungen mit verzweigten Isoprenketten (im Gegensatz zur bakteriellen Zellmembran, die Esterbindungen mit unverzweigten Fettsäuren aufweist).
  • Archaealen Zellwänden fehlt Peptidoglycan, aber einige enthalten eine strukturell ähnliche Substanz namens Pseudopeptidoglycan oder Pseudomurein.
  • Die Genome von Archaea sind größer und komplexer als die von Bakterien.

Die Domäne Archaea ist so vielfältig wie die Domänenbakterien, und ihre Vertreter können in jedem Lebensraum gefunden werden. Einige Archaeen sind Mesophile, und viele sind Extremophile, die extreme Hitze oder Kälte, extremen Salzgehalt oder andere Bedingungen bevorzugen, die den meisten anderen Lebensformen auf der Erde feindlich gegenüberstehen. Ihr Stoffwechsel ist an die raue Umgebung angepasst und sie können zum Beispiel Methanogenese betreiben, was Bakterien und Eukaryoten nicht können.

Die Größe und Komplexität des archaealen Genoms erschwert eine Klassifizierung. Die meisten Taxonomen sind sich einig, dass es innerhalb der Archaea derzeit fünf Hauptstämme gibt: Crenarchaeota, Euryarchaeota, Korarchaeota, Nanoarchaeota und Thaumarchaeota. Es gibt wahrscheinlich viele andere Archaeengruppen, die noch nicht systematisch untersucht und klassifiziert wurden.

Interessanterweise sind derzeit keine Archaeen bekannt, die mit Infektionskrankheiten bei Menschen, Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen in Verbindung gebracht werden. Viele spielen jedoch eine wichtige Rolle in der Umwelt und können sich daher indirekt auf die menschliche Gesundheit auswirken.

Crearchaeota

Crenarchaeota ist eine Klasse von Archaea, die äußerst vielfältig ist und Gattungen und Arten enthält, die sich in ihrer Morphologie und ihren Wachstumsanforderungen stark unterscheiden. Alle Crenarchaeota sind Wasserorganismen und gelten als die am häufigsten vorkommenden Mikroorganismen in den Ozeanen. Die meisten, aber nicht alle Crearchaeota sind hyperthermophil; einige von ihnen (insbesondere die Gattung Pyrolobus) können bei Temperaturen bis zu 113 °C wachsen.1

Archaeen der Gattung Sulfolobus (Abbildung (PageIndex{1})) sind Thermophile, die Temperaturen um 70–80°C bevorzugen, und Acidophile, die einen pH-Wert von 2–3 bevorzugen.2 Sulfolobus kann in aeroben oder anaeroben Umgebungen leben. In Gegenwart von Sauerstoff, Sulfolobus spp. verwenden Stoffwechselprozesse, die denen von Heterotrophen ähneln. In anaeroben Umgebungen oxidieren sie Schwefel zu Schwefelsäure, die in Granulat gespeichert wird. Sulfolobus spp. werden in der Biotechnologie zur Herstellung von thermostabilen und säurebeständigen Proteinen, den sogenannten Affinen, verwendet.3 Affitine können verschiedene Antigene binden und neutralisieren (Moleküle in Toxinen oder Infektionserregern, die eine Immunantwort des Körpers hervorrufen).

Eine andere Gattung, Thermoproteus, wird durch streng anaerobe Organismen mit einer optimalen Wachstumstemperatur von 85 °C repräsentiert. Sie haben Flagellen und sind daher beweglich. Thermoproteus hat eine Zellmembran, in der Lipide eher eine Monoschicht als eine für Archaeen typische Doppelschicht bilden. Sein Stoffwechsel ist autotroph. Um ATP zu synthetisieren, Thermoproteus spp. reduzieren Schwefel oder molekularen Wasserstoff und verwenden Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid als Kohlenstoffquelle. Thermoproteus gilt als die am tiefsten verzweigte Gattung der Archaea und ist somit ein lebendiges Beispiel für einige der frühesten Lebensformen unseres Planeten.

Übung (PageIndex{1})

Welche Umgebungen bevorzugt Crearchaeota?

Euryarchaeota

Der Stamm Euryarchaeota umfasst mehrere verschiedene Klassen. Arten der Klassen Methanobacteria, Methanococci und Methanomicrobia stellen Archaeen dar, die allgemein als Methanogene bezeichnet werden können. Methanogene sind insofern einzigartig, als sie in Gegenwart von Wasserstoff Kohlendioxid reduzieren können, wodurch Methan entsteht. Sie können in den extremsten Umgebungen leben und können sich bei Temperaturen von unter dem Gefrierpunkt bis zum Sieden fortpflanzen. Methanogene wurden in heißen Quellen sowie tief unter dem Eis in Grönland gefunden. Einige Wissenschaftler haben sogar die Hypothese aufgestellt, dass MethanogenS könnte den Planeten Mars bewohnen, weil die von Methanogenen erzeugte Gasmischung der Zusammensetzung der Marsatmosphäre ähnelt.4

Es wird angenommen, dass Methanogene zur Bildung anoxischer Sedimente beitragen, indem sie Schwefelwasserstoff produzieren, wodurch „Sumpfgas“ entsteht. Sie produzieren auch Gase bei Wiederkäuern und Menschen. Einige Gattungen von Methanogenen, insbesondere Methanosarcina, kann in Gegenwart von Sauerstoff wachsen und Methan produzieren, obwohl die überwiegende Mehrheit strikt anaerob ist.

Die Klasse Halobakterien (die benannt wurde, bevor Wissenschaftler die Unterscheidung zwischen Archaeen und Bakterien erkannten) umfasst halophile ("salzliebende") Archaeen. Halobakterien benötigen in ihrer aquatischen Umgebung eine sehr hohe Konzentration an Natriumchlorid. Die erforderliche Konzentration liegt mit 36% nahe der Sättigung; solche Umgebungen umfassen das Tote Meer sowie einige Salzseen in der Antarktis und in Süd-Zentralasien. Ein bemerkenswertes Merkmal dieser Organismen ist, dass sie Photosynthese mit dem Protein Bakteriorhodopsin betreiben, das ihnen und den von ihnen bewohnten Gewässern eine schöne violette Farbe verleiht (Abbildung (PageIndex{2})).

Bemerkenswerte Arten von Halobakterien umfassen Halobacterium salinarum, der möglicherweise der älteste lebende Organismus auf der Erde ist; Wissenschaftler haben seine DNA aus Fossilien isoliert, die 250 Millionen Jahre alt sind.5 Eine andere Art, Haloferax vulkanii, zeigt ein sehr ausgeklügeltes Ionenaustauschsystem, das es ermöglicht, die Salzkonzentration bei hohen Temperaturen auszugleichen

Übung (PageIndex{2})

Wo leben Halobakterien?

EINE VERBINDUNG ZWISCHEN ARCHÄEN UND KRANKHEIT FINDEN

Archaeen verursachen keine Krankheiten bei Menschen, Tieren, Pflanzen, Bakterien oder anderen Archaeen. Obwohl dies für die Extremophilen sinnvoll ist, leben nicht alle Archaeen in extremen Umgebungen. Viele Gattungen und Arten von Archaea sind mesophil, sodass sie in menschlichen und tierischen Mikrobiomen leben können, obwohl dies selten der Fall ist. Wie wir erfahren haben, existieren einige Methanogene im menschlichen Magen-Darm-Trakt. Wir haben jedoch keine zuverlässigen Beweise dafür, dass Archaeen der Erreger einer menschlichen Krankheit sein könnten.

Dennoch haben Wissenschaftler versucht, Verbindungen zwischen menschlichen Krankheiten und Archaeen zu finden. Im Jahr 2004 haben Lepp et al. präsentierten Beweise dafür, dass ein Archaeen namens Methanobrevibacter oralis das Zahnfleisch von Patienten mit Parodontitis bewohnt. Die Autoren vermuteten, dass die Aktivität dieser Methanogene die Krankheit verursacht.6 Später wurde jedoch gezeigt, dass kein kausaler Zusammenhang zwischen M. oralis und Parodontitis besteht. Wahrscheinlicher ist, dass eine Parodontitis zu einer Vergrößerung anaerober Regionen im Mund führt, die anschließend von M. oralis besiedelt werden.7

Es bleibt keine gute Antwort, warum Archaeen nicht pathogen zu sein scheinen, aber die Wissenschaftler spekulieren weiter und hoffen, die Antwort zu finden.

Zusammenfassung

  • Archaeen sind einzellige, prokaryontische Mikroorganismen, die sich in ihrer Genetik, Biochemie und Ökologie von Bakterien unterscheiden.
  • Einige Archaeen sind Extremophile und leben in Umgebungen mit extrem hohen oder niedrigen Temperaturen oder extremem Salzgehalt.
  • Nur Archaeen produzieren Methan. Methan produzierende Archaeen heißen Methanogene.
  • Halophile Archaeen bevorzugen eine Salzkonzentration nahe der Sättigung und betreiben Photosynthese mit Bakteriorhodopsin.
  • Einige Archaeen gehören, basierend auf fossilen Beweisen, zu den ältesten Organismen der Erde.
  • Archaea leben nicht in großer Zahl im menschlichen Mikrobiom und sind nicht dafür bekannt, Krankheiten zu verursachen.

Fußnoten

  1. E. Blochl et al.“Pyrolobus fumani, Gen. und sp. nov., stellt eine neue Gruppe von Archaea dar, die die obere Temperaturgrenze für das Leben auf 113 ° C ausdehnt°C." Extremophile 1 (1997):14–21.
  2. T. D. Brock et al. “Sulfolobus: Eine neue Gattung schwefeloxidierender Bakterien, die bei niedrigem pH-Wert und hoher Temperatur leben.“ Archiv für Mikrobiologie 84 nr. 1 (1972): 54–68.
  3. S.Pachecoet al. „Affinitätstransfer zum archaealen extremophilen Sac7d-Protein durch Insertion einer CDR.“ Protein Engineering Design und Auswahl 27 Nr. 10 (2014): 431-438.
  4. R. R. Britt „Kraterlebewesen: Wo Marsmikroben lauern könnten.“ www.space.com/1880-crater-cri...obes-lurk.html. Aufgerufen am 7. April 2015.
  5. H. Vreelandet al. "Fettsäure- und DA-Analysen von Perm-Bakterien, die aus alten Salzkristallen isoliert wurden, zeigen Unterschiede zu ihren modernen Verwandten." Extremophile 10 (2006):71–78.
  6. P. W. Leppet al. "Methanogene Archaeen und menschliche Zahnfleischerkrankungen." Proceedings of the National Academies of Science der Vereinigten Staaten von Amerika 101 Nr. 16 (2004): 6176–6181.
  7. R. I. Aminov. "Die Rolle der Archaeen bei menschlichen Krankheiten." Grenzen der Zell- und Infektionsmikrobiologie 3 (2013):42.

Mitwirkender

  • Nina Parker (Shenandoah University), Mark Schneegurt (Wichita State University), Anh-Hue Thi Tu (Georgia Southwestern State University), Philip Lister (Central New Mexico Community College) und Brian M. Forster (Saint Joseph's University) mit vielen beitragende Autoren. Originalinhalt über Openstax (CC BY 4.0; Zugang kostenlos unter https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction)


Grappling Archaeen: Ultrastrukturelle Analysen eines unkultivierten, kälteliebenden Archaeons und seines Biofilms


Alexandra K. Perras 1 † , Gerhard Wanner 2 † , Andreas Klingl 2,3,4 , Maximilian Mora 1 , Anna K. Auerbach 1 , Veronika Heinz 1 , Alexander J. Probst 1 , Harald Huber 1 , Reinhard Rachel 1 , Sandra Meck 1 und Christine Moissl-Eichinger 1 * †
  • 1 Institut für Mikrobiologie und Archaeenzentrum, Universität Regensburg, Regensburg, Deutschland
  • 2 Fachbereich Biologie I, Biozentrum Ludwig-Maximilians-Universität München, Planegg-Martinsried, Deutschland
  • 3 Zellbiologie, Philipps-Universität ät Marburg, Marburg, Deutschland
  • 4 LOEWE Forschungszentrum für Synthetische Mikrobiologie (Synmikro), Marbug, Deutschland

Ähnlich wie Bakterien sind Archaeen Mikroorganismen, die auf vielfältige Weise mit ihrer Umgebung interagieren. Interaktionen basierend auf Zellstruktur und Oberflächenanhangsgebilden wurden bisher hauptsächlich an Modellsystemen kultivierbarer Archaeen unter Laborbedingungen dokumentiert. Hier berichten wir über die mikrobiellen Interaktionen und ultrastrukturellen Eigenschaften des unkultivierten SM1 Euryarchaeon, das in seinem Biotop stark dominant ist. Daher wurden Biofilmproben aus dem Sippenauer Moor, Deutschland, mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM-Negativfärbung, Dünnschliff) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht, um die Feinstruktur der mikrobiellen Zellen und des Biofilms selbst aufzuklären. Der Biofilm bestand aus kleinen Archaeenkokken (0,6 μm Durchmesser), die in einem regelmäßigen Muster angeordnet waren (1,0𠄲.0 μm Abstand von Zelle zu Zelle), wobei jedes Archaeon im Durchschnitt mit 6 anderen Archaeen verbunden war. Extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) waren auf die unmittelbare Umgebung der Archaeenzellen beschränkt, und spezifische Zelloberflächenanhangsgebilde (hami, Moissl et al., 2005) ragten über die EPS-Matrix hinaus und ermöglichten eine mikrobielle Interaktion durch Zell-Zell-Kontakte zwischen den Archaeen und zwischen Archaeen und Bakterien. Alle analysierten Hami zeigten ihre zuvor beschriebene Architektur von Nano-Grappling-Haken und basalen Stacheldrahtstrukturen. Betrachtet man die Zellwände der Archaeen, wies die SM1 Euryarchaea eine Doppelmembran auf, die für Mitglieder dieser phylogenetischen Domäne selten beschrieben wurde. Basierend auf diesen Erkenntnissen muss das aktuelle verallgemeinerte Bild zu archaealen Zellwänden überdacht werden, da archaeale Zellstrukturen komplexer und komplexer sind als bisher angenommen, insbesondere wenn man die unkultivierte Mehrheit betrachtet.


Teil I Einführung 1

1.1 Rezeptoren und Signalisierung 3

1.1.1 Allgemeine Aspekte der Signalisierung 3

1.1.2 Verbale und physiologische Signale 3

1.1.3 Kriterien zur Erkennung von Sendern und Empfängern 4

1.1.6 Rezeptor- und Enzymähnlichkeiten 4

1.2 Arten von Rezeptoren und Hormonen 5

1.2.1 Rezeptor-Superfamilien 5

1.3 Rezeptoren sind der chemische Ausdruck der Realität 6

2 Die Ursprünge des chemischen Denkens 9

2.1 Überblick über die frühe pharmakologische Geschichte 9

2.1.1 Die Entwicklung einer chemischen Hypothese 9

2.1.2 Chemische Struktur und Wirkstoffwirkung 10

2.1.3 Der Ort der Drogenwirkung 10

2.2 Moderne Pharmakologie 10

2.2.1 Langley und Ehrlich: die Ursprünge des Rezeptorkonzepts 10

2.2.2 Reifung des Rezeptorkonzepts 13

2.3 Phylogenetik der Signalgebung 13

2.3.1 Die ersten Kommunikatoren 13

Teil II Grundlagen 15

3 Membranen und Proteine ​​17

3.1.1 Die zytoplasmatische Membran &ndash die Bedeutung der Zellmembranen 17

3.1.2 Geschichte der Membranmodelle 17

3.1.2.1 Die Rolle von Proteinen in Membranen 18

3.1.2.2 Herausforderungen für das Danielli&ndashDavson-Modell 19

3.1.2.3 Ein neuer Blick auf Membranproteine ​​19

3.1.2.4 Das moderne Membrankonzept &ndash das Fluidmosaikmodell 19

3.1.3 Membrankomponenten 19

3.1.3.2 Asymmetrie und Heterogenität in Membranlipiden 20

3.1.3.3 Membranaufbau und Insertion von Proteinen 20

3.2 Natur und Funktion von Proteinen 21

3.2.1 Lineare und dreidimensionale Strukturen 22

3.2.3 Sekundärstruktur 23

3.2.4 Tertiärstruktur 24

4 Hormone als erste Botenstoffe 27

4.1 Hormone und Zellkommunikation 27

4.1.1 Entdeckung von Hormonen 27

4.2.1 Pheromone für die Signalübertragung zwischen Individuen 28

4.2.2 Archaeen und Bakterien 28

4.2.3.2 Unikonten &ndash Amöbozoen, Pilze, Tiere 29

4.2.3.3 Wirbellose Pheromone 31

4.2.3.4 Wirbeltier-Pheromone 31

4.3 Wirbeltierhormone und -transmitter 31

4.3.1 Peptid- und Nicht-Peptid-Agonisten 31

4.3.2 Peptidhormone der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren 32

4.3.2.1 Hypothalamus-Hypophysen-Achse 32

4.3.2.2 Trophische Hormone des Hypophysenvorderlappens 34

4.3.3 Andere neuronale Peptide 35

4.3.3.2 Nicht-Opioid-Transmitter-Peptide 36

4.3.4 Peptide aus nicht-neuralen Quellen 36

4.3.4.1 Verdauungstrakthormone 36

4.3.4.2 Hormone aus Gefäßgewebe 38

4.3.4.3 Hormone aus dem Blut 38

4.3.4.4 Peptidhormone aus Fortpflanzungsgewebe 39

4.3.4.5 Hormone aus anderen Geweben 39

4.3.5 Nicht-Peptide, die auf G-Protein-gekoppelte Rezeptoren wirken 39

4.3.5.1 Von Aminosäuren abgeleitete Transmitter 39

4.3.5.2 Von Nukleotiden abgeleitete Sender 40

4.3.5.3 Von Membranlipiden und Prostaglandinen und Cannabinoiden abgeleitete Transmitter 41

4.3.6 Sender der Ionenkanäle 41

4.3.7 Hormone der Rezeptorkinasen &ndash Wachstumsfaktorrezeptoren 43

4.3.7.2 Insulin-ähnliche Wachstumsfaktoren 43

4.3.7.3 Natriuretische Peptide 43

4.3.7.4 Peptidsignalmoleküle, die für die Embryogenese wichtig sind 43

4.3.7.5 Hypophysenhormone &ndash Somatotropin und Prolaktin 43

4.3.8 Hormone der Kernrezeptoren 44

4.3.8.2 Nichtsteroidale Kernhormone 46

4.4 Analgetika und Gifte als Rezeptorliganden 46

5.1 Die Materialisierung von Rezeptoren 47

5.2.1 Bindung des Agonisten an den Rezeptor 48

5.3.1 Frühe Ansätze zum Verständnis der Rezeptorwirkung 49

5.3.1.1 Das Belegungsmodell 49

5.3.1.2 Prozesse, die der Rezeptoraktivierung folgen 52

5.3.1.3 Wirksamkeit und Ersatzrezeptoren 52

5.3.2 Moderne Ansätze der Rezeptortheorie 52

5.3.2.1 Das Zwei-Zustands-Modell 52

5.3.2.2 Das ternäre komplexe Modell 53

5.3.2.4 Kubischer Ternärer Komplex (CTC) Modell 55

5.3.3 Zusammenfassung der Modellzustände 55

5.4 Rezeptorstruktur und -funktion visualisieren 55

5.4.1 Bestimmung des Rezeptors Kd 55

5.4.2 Visualisierung der Ligandenbindung 57

5.4.2.1 Rezeptorvorbereitung 58

5.4.2.2 Gleichgewichtsbindungsstudien 58

5.4.2.3 Wettbewerbsstudien 58

5.4.3 Röntgenkristallographie von nativen und Agonisten-gebundenen Rezeptoren 59

5.4.4 Sondenmarkierung (Fluoreszenz und Photoaffinität) 60

5.5 Proteomics-Ansätze zur Rezeptorwirksamkeit 60

5.6 Physikalische Faktoren, die die Rezeptorbindung beeinflussen 61

5.6.2 Beziehung von Agonistenaffinität und Wirksamkeit zur zurückgelegten Entfernung nach Release 61

Teil III Rezeptortypen und Funktion 63

6 Transduktion I: Ionenkanäle und Transporter 65

6.1.1 Familienbeziehungen 65

6.2 Kanäle für kleine Moleküle 66

6.2.1 Osmotische und Dehnungsdetektoren 66

6.2.2 Spannungsgesteuerte Kationenkanäle 66

6.2.2.1 Studiengeschichte zu spannungsgesteuerten Kanälen 66

6.2.2.2 Struktur und Physiologie von Ionenkanälen 68

6.2.3 Kaliumkanäle 68

6.2.4.1 Bakterielle Na+ Kanäle 70

6.2.4.2 Wirbeltiere Na+ Kanäle 70

6.2.6 Nicht spannungsgesteuerte Kationenkanäle &ndash Transiente Rezeptorpotential (TRP) Kanäle 72

6.3.1 Pumpen und erleichterte Diffusion 73

6.3.2 Der Chloridkanal 76

6.4 Wichtige intrinsische Proteine ​​76

6.4.2 Glycerintransporter 77

6.5 Ligandengesteuerte Ionenkanäle 77

6.5.1 Vier-TM-Domänen &ndash die Cys-Loop-Rezeptoren 77

6.5.1.1 Die Vier-TM-Kanäle für Kationen 78

6.5.1.2 Die Vier-TM-Kanäle für Anionen 80

6.5.2 Drei-TM-Domänen &ndash Ionotrope Glutamatrezeptoren 82

6.5.2.1 Glutamat-gesteuerte Kanäle 82

6.5.2.2 N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-Rezeptor 82

6.5.2.3 Nicht-NMDA-Rezeptoren 82

6.5.3 Zwei-TM-Domänen &ndash ATP-gesteuerte Rezeptoren (P2X) 82

7 Transduktion II: G-Protein-gekoppelte Rezeptoren 85

7.1.2 Sinnestransduktion 87

7.1.2.1 Chemorezeption bei Nicht-Säugetieren 87

7.1.2.2 Chemorezeption bei Säugetieren 87

7.2 Familien von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren 89

7.3 Übertragungsmechanismen 89

7.3.1 Entdeckung der Rezeptorkontrolle des Stoffwechsels &ndash cyclisches AMP und G-Proteine ​​89

7.3.1.1 Komponenten des Prozesses der metabolischen Aktivierung 89

7.3.1.2 Entdeckung von zyklischem AMP 90

7.3.1.3 Entdeckung von G-Proteinen 90

7.3.2 Wirkungen von G-Proteinen 91

7.3.2.2 Rollen der Beta- und Gamma-Untereinheiten 95

7.3.3 Proteine, die die GTP-Bindung verstärken (GEF) oder hemmen (GAP) 96

7.3.4 Signalverstärkung 97

7.3.5 Signalunterbrechung &ndash Mehrere Prozesse verringern die Rezeptoraktivität 97

7.3.6 Wechselwirkungen zwischen Rezeptoren und G-Proteinen 97

7.3.7 Zusammenfassung der Wirkungen von GPCRs: Agonisten, Rezeptoren, G-Proteine ​​und Signalkaskaden 98

7.4 Die wichtigsten Familien von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren 99

7.4.1 Familie A &ndash Rhodopsin-ähnliche 99

7.4.2 Family B &ndash Secretin-Like 104

7.4.3 Metabotrope Glutamat- und Süß-/Umami-Geschmacksrezeptoren der Familie C &ndash 104

7.4.3.1 Geschmack 1-Rezeptoren (T1Rs) 105

7.4.3.2 Calcium-sensitive Rezeptoren 106

7.4.4 Adhäsionsrezeptoren der Familie D &ndash 106

7.4.5 Familie F &ndash Frizzled-Smoothened-Rezeptoren 106

7.4.6 Zyklische AMP-Rezeptoren der Familie E &ndash 106

7.4.7 Andere G-Protein-gekoppelte Rezeptortypen in Eukaryoten 106

7.4.7.1 Hefe-Paarungs-Pheromonrezeptoren 106

7.4.7.2 Insektengeschmacksrezeptoren 106

7.4.7.3 Nematoden-Chemorezeptoren 106

8 Transduktion III: Rezeptorkinasen und Immunglobuline 107

8.2 Rezeptoren für Zellteilung und Stoffwechsel 108

8.2.1 Übersicht der Familienmitglieder 108

8.2.2 Gesamtfunktionen von RTK 108

8.2.2.1 Extrazelluläre Domänen 108

8.2.2.2 Intrazelluläre Domänen 109

8.2.3 Rezeptor-Tyrosinkinase-Unterfamilien 110

8.2.3.1 EGF-Rezeptor-Unterfamilie 111

8.2.3.2 Insulinrezeptor-Unterfamilie 111

8.2.3.3 FGF- und PDGF-Rezeptor-Unterfamilien 111

8.2.3.4 NGF-Rezeptor-Unterfamilie 111

8.3 Rezeptor-Serin/Threonin-Kinasen 112

8.3.1 Transformierender Wachstumsfaktor-Beta (TGF-&beta)-Rezeptor 112

8.4 Die Guanylylcyclase-Rezeptor-Unterfamilie &ndash Natriuretische Peptidrezeptoren 112

8.5 Nicht-Kinase-Moleküle &ndash LDL-Rezeptoren 113

8.5.1 Cholesterintransport 113

8.5.2 Der Low-Density Lipoprotein (LDL)-Rezeptor 114

8.5.2.1 Clathrin-beschichtete Gruben 114

8.6 Cell&ndashCell-Kontaktsignalisierung 115

8.6.1 Notch&ndashDelta-Signalisierung 115

8.7 Rezeptoren, Antikörper und Zytokine des Immunsystems 115

8.7.1 Die angeborenen Immunantworten 115

8.7.2 Die Zellen und Moleküle des adaptiven Immunsystems 116

8.7.3 T-Zell-Rezeptoren und Immunglobuline 116

8.7.4 Zelloberflächenmoleküle 117

8.7.4.1 Die MHC-Proteine ​​117

8.7.4.2 Rezeptoren der B- und T-Zellen 118

9 Transduktion IV: Kernrezeptoren 121

9.2 Genomische Wirkungen nuklearer Rezeptoren 122

9.2.1 Familien nuklearer Rezeptoren 122

9.2.2 Transkriptionskontrolle 122

9.2.3 Konstitutiv aktive Kernrezeptoren 122

9.2.4 Ligandenrezeptoren 122

9.2.5 Geschichte der Steroidrezeptorstudien 123

9.2.6 Rezeptorstruktur 123

9.2.7 Das Liganden-Bindungsmodul 124

9.2.8 Das DNA-Bindungsmodul 125

9.2.9 Spezifische nukleare Maßnahmen 125

9.2.9.1 Familie 1 &ndashSchilddrüsenhormon und Vitamin-A- und Vitamin-D-Rezeptoren 125

9.2.9.2 Familie 2 &ndash Fettsäure (HNF4) und Retinol-X-Rezeptoren (RXR) 127

9.2.9.3 Familie 3 &ndash Steroidrezeptoren für Östrogene, Androgene, Gestagene, Mineralokortikoide und Glukokortikoide 128

9.3 Wirkungen von Rezeptor-Antagonisten 129

9.4 Nicht-traditionelle Wirkungen steroidähnlicher Hormone und ihrer Rezeptoren 130

9.4.1 Zellmembran-Progesteronrezeptoren 131

9.4.2 Zellmembran-Mineralocorticoid- und Glucocorticoid-Rezeptoren 131

9.4.3 ZellmembranSchilddrüsenhormon und Vitamin A/D-Rezeptoren 131

9.4.4 Liganden-unabhängige Aktivierung der Transkription 131

Teil IV Anwendungen 133

10 Signalisierungskomplexität 135

10.2 Experimentelle Bestimmung von Signalkaskaden 135

10.2.2 MAPK: eine Phosphorylierungskaskade 136

10.3 Transduktion über die Membran 138

10.3.2 G-Protein-gekoppelte Rezeptoren 138

10.3.2.1 Andere G-Protein-ähnliche Transducer &ndash Ras 139

10.3.2.2 Andere G-Protein-ähnliche Transducer &ndash Ran 139

10.3.3 Zellaggregation und -entwicklung 140

10.3.3.1 Coaggregation in Bakterien 140

10.3.3.2 Aggregation in Eukaryoten 140

10.3.3.3 Die Moleküle der Zelladhäsion 141

10.4 Komplexität in Crosstalk &ndash Rollen von PIP3, Akt und PDK1 141

10.4.1 Signalisierungskaskaden mit PIP3 142

10.4.3 Rezeptor-Tyrosin-Kinasen 144

10.4.4 Zytokinrezeptoren und die JAK/STAT-Proteine ​​144

10.4.5 Kombinierte zelluläre Signalisierung &ndash GPCR- und RTK-Aktionen 144

10.5.1 Konstitutive versus induzierbare Aktivierung 144

10.6 Signalübertragung durch Gasmoleküle 146

10.6.3 Schwefelwasserstoff 148

11 Zelluläre Interaktionen in der Entwicklung 149

11.2 Die Ursprünge der Vielzelligkeit 150

11.2.1 Mehrzellige Abstammungslinien in Prokaryoten 150

11.2.2 Mehrzellige Abstammungslinien in Eukaryoten 150

11.2.2.1 Chromalveolate &ndash Im Allgemeinen einzellig, aber mit einer mehrzelligen Klade 151

11.2.2.2 Archaeplastida &ndash Algen und Pflanzen 151

11.2.2.3 Amöbozoen, Pilze, Choanoflagellaten und Tiere 151

11.3 Der Ursprung von Symmetrie und Achsen 152

11.3.1 Der mehrzellige Körperplan 152

11.3.2 Die Porifera &ndash Asymmetrisch mit einer einzelnen Zellschicht 152

11.3.3 Nesseltiere &ndash Radiale Symmetrie, zwei Zellschichten, Gewebe 153

11.4 Befruchtung und Organisation des vielzelligen Körperplans 154

11.4.1 Spermien- und Eizellenerkennung 154

11.4.1.1 Seeigel-Düngung 154

11.4.1.2 Befruchtung durch Säugetiere 157

11.5 Differenzierung triploblastischer Embryonen &ndash Organogenese 158

11.5.2 Der Ursprung triploblastischer Tiere 158

11.5.3 Entwicklung in Protostomen 159

11.5.3.1 Segmentierung und Organbildung bei Drosophila 159

11.5.3.2 Zelluläre Wechselwirkungen bei der späteren Entwicklung von Drosophila 161

11.5.4 Entwicklung in Deuterostomen 162

11.5.4.1 Frühe Froschentwicklung 162

11.6 Programmierter Zelltod (Apoptose) 165

11.6.1 Apoptose während der Entwicklung 166

11.6.2 Apoptose im Erwachsenenalter 166

12 Rezeptormechanismen in Krankheitsprozessen 169

12.1 Genetische Basis für die Rezeptorfunktion 169

12.1.1 Genotyp und Phänotyp 169

12.1.2 Klassische Dominanzmechanismen 169

12.1.3 Andere Ebenen der Genexpression 170

12.1.4 Prä-Rezeptor-Mutationen 170

12.1.5 Rezeptormutationen 171

12.1.6 Post-Rezeptor-Mutationen 171

12.2 Rezeptorpathologien 171

12.2.1 Ionenkanal-Superfamilie 171

12.2.1.1 Calciumkanäle 172

12.2.1.2 Transiente Rezeptorprotein (TRP)-Kanäle 172

12.2.1.3 Spannungsgesteuerte Na+-Kanäle 172

12.2.1.4 Liganden-gesteuerte Na+-Kanäle 172

12.2.1.5 Chloridtransporter &ndash Mukoviszidose 172

12.2.2 G-Protein-gekoppelte Rezeptor-Superfamilie 172

12.2.2.2 Schilddrüsenerkrankungen 173

12.2.2.3 Herz-Kreislauf-Erkrankungen 173

12.2.3 Immunglobulin-Superfamilie 176

12.2.3.1 Diabetes mellitus 176

12.2.3.2 Arteriosklerose 176

12.2.4 Kernrezeptor-Superfamilie &ndash Steroidrezeptoren 176

12.2.4.1 Änderungen in Transkription 176

12.2.4.2 Zusätzliche Effekte 177

12.3 Signalmutationen, die zu Krebs führen 177

12.3.1 Pathogenese von Krebs 177

12.3.2 Krebs als Krankheit von Signalmolekülen 178

12.3.2.1 Onkogene, die mutierte Sender kodieren 178

12.3.2.2 Onkogene, die mutierte RTKs kodieren 178

12.3.2.3 Onkogene, die mutierte G-Proteine ​​179 . kodieren

12.3.2.4 Onkogene, die mutierte Transkriptionsfaktoren &ndash Steroidrezeptoren codieren 180

13 Rezeptoren und der Geist 181

13.1 Ursprünge des Verhaltens 181

13.1.1 Bakterielles Kurzzeitgedächtnis 181

13.1.2 Tiere ohne echte neuronale Organisation: Die Porifera 182

13.1.3 Tiere mit neuronalen Netzen: Die Cnidaria 182

13.1.4 Bilateral symmetrische Tiere: Die Acoela 183

13.2.3.1 Synthese und Freisetzung von Gehirntransmittern 185

13.2.3.2 Konvertieren von Kurzzeitgedächtnis in Langzeitgedächtnis 186

13.3 Tiergedächtnis: Wirbellose 186

13.3.1 Entdeckung des Signalisierungsbeitrags zum Gedächtnis 186

13.3.2 Rezeptormechanismen von Nervenzellinteraktionen 186

13.3.2.1 Der Kiemen-Rückzugsreflex von Aplysia 186

13.3.2.2 Sensibilisierungsmechanismen und Kurzzeitgedächtnis 187

13.3.2.3 Ionenflüsse in Nervenaktionspotentialen 187

13.3.2.4 Konsolidierung ins Langzeitgedächtnis (LTP) 188

13.4 Tiergedächtnis: Wirbeltiere 188

13.4.1 Intrazelluläre Mechanismen der Potenzierung 188

13.5 Rezeptoren und Verhalten: Sucht, Toleranz und Abhängigkeit 190

13.5.1 Opioidrezeptoren 190

13.5.1.1 Opioid-Neuronenbahnen im Gehirn 191

13.5.1.2 Die Opioidpeptide und -rezeptoren 192

13.5.1.3 Mechanismen der Transduktion 192

13.5.1.4 Merkmale des Ansprechens auf anhaltende Drogenpräsenz 192

13.5.2 Individuelle und kulturelle Verteilung der Depression 193

13.5.2.2 Polymorphismen in Neurotransmitter-Transportern 194

13.5.2.3 Polymorphismen in Opioidrezeptor-Subtypen 194

13.5.2.4 Polymorphismen in Enzymen zur Transmitterdisposition 194

13.5.2.5 Maßnahmen auf Gesellschaftsebene 194

13.5.2.6 Mögliche Mechanismen 195

14 Evolution von Rezeptoren, Transmittern und Hormonen 197

14.1.1 Phylogenie der Kommunikation: Allgemeine Ideen 197

14.2 Ursprünge von Sendern und Empfängern 197

14.2.1 Evolution von Signalprozessen 197

14.2.2 Homologe Sequenzen 198

14.2.2.1 Orthologe und paraloge Sequenzen 198

14.2.3 Phylogenetische Inferenz 199

14.2.4 Phylogenetische Darstellung von Proteinbeziehungen 199

14.2.5 Ganzgenom-Duplikation (WGD) 200

14.2.6 Ursprünge neuartiger Domänen 201

14.2.7 Anpassung von Rezeptorsystemen 201

14.2.8 Koevolution von Komponenten von Signalwegen 202

14.2.9 Peptidhormone und ihre Rezeptoren 202

14.2.10 Rezeptoren und ihre Nicht-Peptid-Hormone 202

14.3 Evolution der Hormone 202

14.3.1 Peptidhormone für G-Protein-gekoppelte Rezeptoren 202

14.3.1.1 Die Hefe-Paarungs-Pheromone 203

14.3.1.2 Die trophischen Hormone des Hypophysenvorderlappens 203

14.3.1.3 Die Hypothalamus-Releasing-Hormone 203

14.3.1.4 Die Hypophysenhinterlappenhormone 203

14.3.1.5 Verschiedene Peptidhormone 204

14.3.2 Hormone der Rezeptor-Tyrosin-Kinasen 204

14.3.2.1 Die Insulinfamilie 204

14.3.2.2 Die Neurotrophine 204

14.3.2.3 Die Wachstumshormonfamilie 204

14.4 Evolution von Rezeptor-Superfamilien 205

14.4.1.1 Spannungsgesteuerte Kanäle 205

14.4.1.2 Liganden-gesteuerte Kanäle 205

14.4.2 G-Protein-gekoppelte Rezeptoren 206

14.4.2.1 G-Protein-gekoppelte Rezeptortypen 206

14.4.2.2 Rezeptoren der Familie A &ndash Rhodopsin-Familie 206

14.4.2.3 Familie B &ndash Secretin und Adhäsionsrezeptoren 207

14.4.2.4 Familie F &ndash Frizzled and Smoothened Rezeptoren 208

14.4.2.5 Elemente des GPCR-Transduktionswegs 208

14.4.3 Die Immunglobulin-Superfamilie 210

14.4.3.1 Die Rezeptor-Tyrosinkinasen 210

14.4.3.2 Moleküle des adaptiven Immunsystems 211

14.4.4 Steroid-, Vitamin A/D- und Schilddrüsenhormonrezeptoren 211

14.4.4.1 Ursprung nuklearer Rezeptoren: Die Rolle der Liganden 211

14.4.4.2 Die nuklearen Rezeptorfamilien 211

14.4.4.3 Spätere Entwicklung nuklearer Rezeptoren &ndash Ligandenausbeutung 212


Reverse Methanogenese und Atmung in methanotrophen Archaeen

Die anaerobe Oxidation von Methan (AOM) wird durch anaerobe Methan-oxidierende Archaeen (ANME) über einen umgekehrten und modifizierten Methanogenese-Weg katalysiert. Methanogene können auch den Methanogeneseweg umkehren, um Methan zu oxidieren, jedoch nur während der Netto-Methanproduktion (d. h. „Spuren-Methanoxidation“). ANME wiederum kann Methan produzieren, jedoch nur während der Netto-Methanoxidation (d. h. enzymatischer Rückfluss). Netto-AOM ist exergonisch, wenn es an einen externen Elektronenakzeptor wie Sulfat (ANME-1, ANME-2abc und ANME-3), Nitrat (ANME-2d) oder Metall (Oxide) gekoppelt wird. In diesem Review werden die Reversibilität des Methanogeneseweges und wesentliche Unterschiede zwischen ANME und Methanogenen beschrieben, indem veröffentlichte Informationen mit einem domänenbasierten (Meta-)Genomvergleich von archaealen Methanotrophen und ausgewählten Archaeen kombiniert werden. Zu diesen Unterschieden zählen die Häufigkeit und die spezielle Struktur von Methyl-Coenzym-M-Reduktase und von Multihäm-Cytochromen sowie das Vorhandensein von Menachinonen oder Methanophenazinen. ANME-2a und ANME-2d können für AOM jeweils andere Elektronenakzeptoren als Sulfat oder Nitrat verwenden. Umweltstudien legen nahe, dass ANME-2d auch an sulfatabhängiger AOM beteiligt ist. ANME-1 scheint einen anderen Mechanismus zur Entsorgung von Elektronen zu verwenden und ist möglicherweise weniger vielseitig bei der Verwendung von Elektronenakzeptoren als ANME-2. Zukünftige Forschungen werden Aufschluss über die molekularen Grundlagen der Umkehr des methanogenen Stoffwechselweges und des Elektronentransfers in verschiedenen ANME-Typen geben.

1. Einleitung

1.1. Anaerobe Methan-oxidierende Archaeen (ANME)

Anaerobe Methan-oxidierende Archaeen (ANME) führen die anaerobe Oxidation von Methan (AOM) durch die Umkehrung des methanogenen Stoffwechselweges durch. ANME wurden erstmals in Meeressedimenten entdeckt, wo AOM an Sulfatreduktion (SR) gekoppelt war (Tabelle 1, Reaktion

). Hier bildete ANME metabolisch abhängige Konsortien mit Sulfat-reduzierenden Bakterien (SRB), die zu den Deltaproteobakterien gehören [1–3]. Drei verschiedene methanotrophe Gruppen wurden identifiziert: ANME-1 (Subcluster a und b), ANME-2 (Subcluster a, b und c) und ANME-3. Der ANME-1-Cluster ist mit Methanomicrobiales und Methanosarcinales verwandt, bildet aber einen separaten Cluster [2], ANME-2 sind mit kultivierten Mitgliedern der Methanosarcinales verwandt [4] und ANME-3 sind eher verwandt mit Methanokokkoiden spp. [5] (Abbildung 1). Die ANME-Kladen sind untereinander nicht monophyletisch und der phylogenetische Abstand zwischen den Untergruppen ist groß, mit einer Ähnlichkeit der 16S-rRNA-Gensequenz von nur 75–92 % [6]. Die Subcluster ANME-2a und ANME-2b bilden eine zusammenhängende Klade, die sich von ANME-2c unterscheidet [7] und werden daher oft als ANME-2a/b zusammengefasst (Abbildung 1). Die weite phylogenetische Verbreitung spiegelt sich in der ökologischen Nischenanpassung der verschiedenen ANME-Kladen wider. ANME-Kladen, die an sulfatabhängiger AOM (S-AOM) beteiligt sind, kommen in vielen verschiedenen Meeresumgebungen vor, mit Ausnahme von ANME-3, das hauptsächlich in Schlammvulkanen und in einigen Sickersedimenten gefunden wurde [6, 8, 9]. In marinen Sedimenten tritt eine ausgeprägte Zonierung auf, in der ANME-2a/b die oberen Schichten dominiert und die Häufigkeit von ANME-2c und/oder ANME-1 in tieferen Zonen zunimmt, was auf eine ökologische Nischentrennung hinweist [10–15]. ANME bilden auch eine vielseitige Partnerschaft mit Nicht-SRB wie Beta-Proteobakterien [16] und Verrucomicrobia [17]. ANME und insbesondere ANME-1 wurden auch ohne (eng assoziierten) bakteriellen Partner beobachtet [5, 12, 13, 18–22]. Es wurde daher vorgeschlagen, dass ANME AOM allein durchführen könnte, unter Verwendung von Elektronenakzeptoren wie Metalloxiden, oder andere Prozesse wie Methanogenese durchführen [23, 24]. Es gibt Hinweise darauf, dass AOM mit der Reduktion verschiedener Metalle (Oxide) gekoppelt werden kann (Tabelle 1, Reaktionen (3)–(5)), aber bisher gibt es nur begrenzte experimentelle Beweise dafür, dass ANME für diese Reaktion verantwortlich sind (diskutiert in Abschnitt 3.3) . An S-AOM beteiligte ANME finden sich neben marinen Umgebungen auch in terrestrischen [25, 26] und Süßwasser-Ökosystemen [27].

) für anaerobe Methanoxidation gekoppelt an verschiedene Elektronenakzeptoren (möglicherweise) durchgeführt von ANME.

Ein Mitglied eines vierten Subclusters, “Kandidat (ca.) Methanoperedens nitroreducens“ wurde kürzlich entdeckt, dass es eine nitratabhängige AOM (N-AOM) durchführt [28] (Tabelle 1, Reaktion

). Dieser Cluster wurde „ANME-2d“ [29] genannt, später aber in „GOM Arc I“ [30] und „AOM-assoziierte Archaea (AAA)“ [6] umbenannt. Die phylogenetische Analyse zeigt, dass der ANME-2d-Cluster monophyletisch ist mit „Ca. M. nitroreducens und andere AAA/GoM Arc I-Sequenzen, die sich jedoch von anderen ANME-2-Subclustern unterscheiden (Abbildung 1). ANME-2d wurden zunächst in Bioreaktoren angereichert, die mit Süßwasserproben beimpft wurden [28, 31–33]. Da ANME-2d-Archaea erst vor kurzem erkannt wurden, sind ihre Umweltpräferenzen noch unzureichend untersucht. Bisher wurden sie in Süßwasserkanälen [31], Böden und Reisfeldern [34–36], Seen und Flüssen [35] und Kläranlagen [33] gefunden. Die in situ AOM-Aktivität von ANME-2d wurde vor kurzem erstmals bestimmt [36]. Weitere ANME-Phylotypen in verschiedenen Umgebungen und möglicherweise neue Archaeen-Kladen, die an AOM beteiligt sind, müssen möglicherweise noch entdeckt werden. Zum Beispiel Methyl-Coenzym-M-Reduktase-A-Gene (mcrA) aus Bathyarchaeota (früher bekannt als Miscellaneous Crenarchaeota Group) und aus dem neuen Archaeenstamm Verstraetearchaeota wurden kürzlich gefunden, was auf ihre Beteiligung am Methanstoffwechsel hinweist [37, 38].

Dieser Review konzentriert sich auf Archaeen, die AOM durch die Umkehrung des Methanogenese-Wegs durchführen. Wir beschreiben die Reversibilität des zentralen methanogenen Stoffwechselwegs, einschließlich des Schlüsselenzyms der Methanogenese und der anaeroben Methanotrophie (d. h. Methyl-Coenzym-M-Reduktase, Mcr). Die Möglichkeit von Methanogenen zur Durchführung der Methanoxidation und von ANME zur Durchführung der Methanogenese wird ebenfalls angesprochen. Schließlich werden die physiologischen Anpassungen von ANME an die Atmung unter Verwendung verschiedener Elektronenakzeptoren während der AOM diskutiert.

1.2. ANME versus Methanogene: Domänenbasierter (Meta)Genom-Vergleich

Um zusätzliche Unterschiede zwischen archaealen Methanotrophen und verwandten Methanogenen zu finden, die die Ergebnisse in der Literatur validieren und ergänzen könnten, führten wir einen domänenbasierten (Meta-)Genomvergleich zwischen ausgewählten Metagenomen von ANME und Genomen von Methanogenen durch, wie zuvor für bakterielle Genome [39] . Für methanotrophe Archaeen verwendeten wir die Metagenome von ANME-1 [40, 41], ANME-2a [42] und ANME-2d [28, 43]. Für Methanogene haben wir Genome von eng und entfernt verwandten Arten verwendet, die in der Lage sind, eine acetoklastische Methanogenese durchzuführen (A: Methanosaeta concilii GP6), methylotrophe Methanogenese (M-1: Methanococcoides burtonii DSM6242, M-2: Methanolobus tindarius DSM2278 und M-3: Methanohalophilus Mahii DSM5219), hydrogenotrophe Methanogenese (H-1: Methanospirillum hungatei JF-1, H-2: Methanobacterium formicicum DSM3637, H-3: Methanococcus maripaludis C5 und H-4: Methanoregula formicica SMSP) und sowohl acetoklastische als auch methylotrophe Methanogenese (AM: Methanosarcina acetivorans C2A). Das Genom eines sulfatreduzierenden Archaeons, das die meisten Enzyme für die Methanogenese außer Mcr enthielt (S: Archaeoglobus fulgidus DSM 4304) wurde ebenfalls in den Vergleich einbezogen. Für jeden Datensatz wurden die Proteindomänen durch InterProScan 5.17-56.0 unter Verwendung der TIGRFAM-, ProDom-, SMART-, PROSITE-, PfamA-, PRINTS-, SUPERFAMILY-, COILS- und Gene3D-Domänendatenbanken erhalten. Die Ergebnisse der Analyse sind in Tabelle 2 und Tabelle S1 des ergänzenden Materials aufgeführt, das online unter https://doi.org/10.1155/2017/1654237 verfügbar ist. Da das von Stokke et al. 2012 [40] viele bakterielle Gene enthielt, haben wir für den domänenbasierten (Meta-)Genomvergleich nicht auf diese Daten zurückgegriffen, sondern nur das von Meyerdierks et al., 2010 [41] beschriebene ANME-1-Metagenom verwendet. Wir haben beide ANME-1-Metagenome eingeschlossen, um die Organisation der Gene für das Formaldehyd-aktivierende Enzym (Tabelle S2) und die Nur-Eisen-Hydrogenase (Tabelle S3) zu analysieren.

2. Umkehrung des Methanogenese-Wegs

2.1.Der zentrale Methanogenese-Weg

ANME wird beschrieben, dass sie eine „umgekehrte Methanogenese“ [44] durchführt, was die vollständige Umkehr der Methanogenese von H . impliziert2 und CO2, d. h. hydrogenotrophe Methanogenese (für kinetische und thermodynamische Betrachtungen sei auf [45] verwiesen). Während der „vorwärts“ hydrogenotrophen Methanogenese wird CO2 wird zu CH . reduziert4 mit reduzierenden Äquivalenten abgeleitet von H2 (Figur 2). Bei der methylotrophen Methanogenese wird dieser Weg bereits teilweise umgekehrt. Methylotrophe Methanogene verwenden Einkohlenstoffverbindungen wie Methylamine, Methanol oder methylierte Schwefelverbindungen (Methanthiol, Dimethylsulfid), die zu Methylcoenzym M aktiviert werden. Etwa 75% des Methylcoenzyms M (CH3-CoM) wird reduziert, um CH . zu produzieren4 und etwa 25 % CH3-CoM wird zu CO . oxidiert2 unter Verwendung des Methanogenese-Wegs in umgekehrter Richtung während des methylotrophen Wachstums. Der oxidative Teil liefert reduzierende Äquivalente, die für die Erzeugung der protonenmotorischen Kraft in der methanogenen Atmungskette und die Reduktion von CH . benötigt werden3-CoM durch Methyl-Coenzym-M-Reduktase (Mcr) [46] (Abbildung 3). Bei allen Methanogenen arbeitet die Mcr-Reaktion in der Vorwärtsreaktion und liefert Methan und das Heterodisulfid von Coenzym B und Coenzym M (CoB-S-S-CoM):

Das Heterodisulfid ist ein zentrales Zwischenprodukt und fungiert in allen Methanogenen als terminaler Elektronenakzeptor. In hydrogenotrophen Methanogenen ohne Cytochrome ist es der Elektronenakzeptor der zytoplasmatischen elektronenverzweigenden CoB-S-S-CoM-Reduktase (HdrABC) und F420-nicht reduzierender Hydrogenase (MvhADG)-Komplex [47, 48], der benötigt wird, um reduziertes Ferredoxin für den ersten Schritt der Methanogenese, die Reduktion von CO ., bereitzustellen2 zu einer Formylgruppe. Innerhalb der Methanogene mit Cytochromen sind nur wenige Mitglieder der Gattung Methanosarcina können auf H . wachsen2/CO2. Sie verwenden eine Ferredoxin-abhängige Hydrogenase (Ech) für die Ferredoxin-Reduktion und eine zusätzliche membrangebundene Methanophenazin-abhängige Hydrogenase (Vho) für H2 Oxidation gekoppelt an die Reduktion des Heterodisulfids durch die membrangebundene CoB-S-S-CoM-Reduktase (HdrDE). F420 Radfahren kann mit dem F . durchgeführt werden420-abhängige Hydrogenase (Frh) und F420h2 : Phenazin-Oxidoreduktase (Fpo)-Komplex [48] (Abbildung 2). Für Methanogene ist es von entscheidender Bedeutung, dass Mcr in der Hinreaktion zu Methan und dem Heterodisulfid arbeitet. Wenn alle Reaktionen des methanogenen Reaktionswegs umgekehrt werden, wie bei der AOM, erfordert der Reaktionsweg Energiezufuhr und produziert Elektronendonatoren (Abbildungen 4–6). Daher wird während der AOM ein externer Elektronenakzeptor benötigt, der die Reaktion thermodynamisch günstig macht (Tabelle 1). Die Rückreaktion von Mcr ist daher ein wesentlicher Schritt in AOM und wird in Abschnitt 2.2 diskutiert. Die Atmungskette, die für die Verwendung verschiedener terminaler Elektronenakzeptoren benötigt wird, wird in Abschnitt 3 diskutiert.

Der Nachweis, dass ANME während der AOM den umgekehrten Methanogenese-Weg nutzt, stammt aus metagenomischen und metatranskriptomischen Analysen. Dies zeigte, dass alle Gene für den (reversen) methanogenen Stoffwechselweg vorhanden waren und in ANME-2a [42] (Abbildung 4) und ANME-2d [28] (Abbildung 5) exprimiert wurden. ANME-1 fehlte durchweg das Gen, das für N 5 ,N 10 -Methylen-tetrahydromethanopterin (H4MPT) Reduktase (Mer), ein Enzym, das benötigt wird, um Methyl-H . zu oxidieren4MPT während der Methanoxidation [40, 41, 44, 51] (Abbildung 6, Tabelle 2). Mögliche Erklärungen könnten sein, dass die mer Gen vorhanden, aber noch nicht nachgewiesen wurde, verwendet ANME-1 eine Umgehung dieses Schrittes, und Mer wurde durch ein strukturelles Analogon ersetzt. Die erste Möglichkeit ist höchst unwahrscheinlich. Obwohl bisher kein geschlossenes Genom von ANME-1 öffentlich zugänglich ist, fehlen allen ANME-1-Metagenomen durchweg nur Mer und keine anderen methanogenen Gene. Die zweite Möglichkeit wurde zuvor vorgeschlagen, bei der ANME-1 einen Bypass von Mer über die Bildung von Methanol oder Methylamin nutzt [41], wie dies in Deletionsmutanten von . nachgewiesen wurde Methanosarcina [52, 53]. Hier, CH3-CoM wurde vermutlich durch eine Methyltransferase in Methanol umgewandelt und anschließend durch eine Methanoldehydrogenase (Mdh) in Formaldehyd. Dann würde Formaldehyd in N 5 ,N 10 Methylen-H . umgewandelt4MPT unter Verwendung eines Fusionsproteins des Formaldehyd-aktivierenden Enzyms (Fae) und einer Hexulose-6-Phosphat-Synthase (Hps) [53] (Abbildung 6). Sowohl Fae als auch Hps wurden im ANME-1-Metagenom [41] und Metaproteom [40, 51] gefunden. In diesen ANME-1-Datensätzen wurden jedoch keine Gene nachgewiesen, die für Enzyme kodieren, die am Methanolstoffwechsel beteiligt sind [40, 41, 51] (Tabelle 2), was darauf hindeutet, dass dieser alternative Weg wahrscheinlich nicht auftritt. Das Vorhandensein des Fae/Hps-Fusionsproteins in ANME-1 während der AOM könnte auch durch seine Beteiligung an der Ribosephosphatsynthese und nicht an der AOM erklärt werden [54]. Tatsächlich befanden sich die Fae-Gendomänen von ANME-1 zwischen dem Ribulose-Phosphat-Bindungsfass und den ribosomalen Protein-S5-Domänen (Tabelle S2). Die dritte Möglichkeit eines strukturellen Analogons ist am wahrscheinlichsten, da ein Analogon von N 5 ,N 10 -Methylentetrahydrofolat (H4HF)-Reduktase (MetF) wurde von ANME-1 während der AOM exprimiert, die Mer ersetzen könnte [40] (Abbildung 6).

2.2. Methyl-Coenzym-M-Reduktase (Mcr)

Die enzymatische Reaktion eines gereinigten Mcr aus ANME wurde bisher nicht gemessen. Die Schlüsselfrage ist, ob ein methanogener Mcr die beobachteten in situ AOM-Raten erklären kann oder ob der Mcr von ANME strukturell verändert ist. Es sind drei Hauptfaktoren zu berücksichtigen: die kinetischen Beschränkungen, wie sie durch die Enzymeigenschaften definiert sind (d. h. halbmaximale Aktivität bei einem spezifischen

-Wert), die thermodynamischen Beschränkungen der enzymatischen Reaktion und die maximale oder Umgebungsgeschwindigkeit der enzymatischen Reaktion. Für den Mcr aus Methanothermobacter marburgensis, wurden kinetische Parameter bestimmt, um die Reversibilität der Reaktion zu veranschaulichen (1). Bei der methanogenen Reaktion katalysiert die gereinigte Mcr-Isoform I [55] die Methanbildung mit a

von 30 U mg −1 und a von 5 mM für CH3-CoM. Das gleiche (methanogene) Enzym konnte Methan zu CH . oxidieren3-CoM mit einer Rate von 0,0114 U mg −1 und a für Methan von

Um zu beantworten, ob die beobachteten AOM-Raten mit der gemessenen Methan-Oxidationsrate für das gereinigte Mcr-Enzym aus übereinstimmen M. marburgensis, wird die Mcr-Aktivität während des AOM benötigt. Schätzungen der AOM-Raten in Bezug auf die Aktivität (pro Zelltrockenmasse) liegen zwischen <1 und 20 mmol Tag –1 und g Zelltrockenmasse –1 [56–66]. Dies entspricht einer Aktivität von 0,7 bis

14 nmol min und mg Zelltrockenmasse -1 . Etwa die Hälfte der Zelltrockenmasse ist Protein, so dass die Aktivität für die ANME-Archaea ungefähr 1,4 bis 28 nmol min und mg Protein −1 beträgt. Um die Aktivität pro mg Mcr abzuschätzen, wird das Verhältnis von Mcr zu zellulärem Protein benötigt. Es wurde berichtet, dass 7 % des Proteins von ANME-Mikrobenmatten aus dem Schwarzen Meer [67, 68] und 10,4 % der Peptide aus Hydrate Ridge-Mesokosmen Mcr sind [51]. Da dies keine Reinkulturen waren, können die tatsächlichen Prozentsätze von Mcr in ANME-Zellen höher sein. Transkriptomdaten für ANME-2d [43] zeigten, dass etwa 19% der gesamten Transkripte von der mcr Gene, die einen hohen Mcr-Gehalt in ANME-2d anzeigen (aber nicht zeigen). Wenn man schätzt, dass 10% des zellulären Proteins Mcr sind, würde die spezifische Aktivität des Enzyms zwischen 14 und 280 nmol min und mg Mcr Protein −1 liegen, was bis zu 25-mal höher ist als die gemessene Rückreaktionsrate des M. marburgensis Enzym (

12 nmol min und mg Mcr −1 [56]). Allerdings ist die Rückreaktionsgeschwindigkeit der M. marburgensis Mcr wurde unter nicht-sättigenden Substratbedingungen bestimmt und repräsentierte daher möglicherweise nicht die wahre Maximalrate. Nichtsdestotrotz liegen beide Rückreaktionsgeschwindigkeiten in der gleichen Größenordnung, abgesehen von der Hinreaktion von 30.000–100.000 nmol min und mg Mcr −1 . Somit scheint es, dass der Mcr in ANME ähnliche katalytische Eigenschaften wie das methanogene Enzym haben könnte und dass die hohe Menge an Mcr pro mg Gesamtzellbiomasse in ANME die scheinbar relativ langsame Katalyse teilweise kompensieren könnte.

Unter Berücksichtigung der thermodynamischen Randbedingungen beträgt die Änderung der freien Gibbs-Energie der Mcr-Vorreaktion unter Standardbedingungen etwa −30 kJ mol −1 [56]. Daher ist die Rückreaktion unter Standardbedingungen endergonisch und wird nicht ablaufen. Allerdings können hohe Methankonzentrationen (10 5 gemäß Reaktion (1) [69, 70]) zu einer günstigen Änderung der Gibbs-Energie in Richtung AOM führen. An vielen Habitaten, in denen AOM nachgewiesen wurde, herrscht ein hoher Methanpartialdruck. Die Löslichkeit von Methan bei Atmosphärendruck beträgt nur 1,3 mM [71]. Folglich wurden erhöhte AOM-Raten bei Druckbeaufschlagung von Proben unterschiedlicher geografischer Herkunft berichtet [59, 60, 72, 73]. Der von Mcr of M. marburgensis für Methan wurde bei oder über 10 mM bestimmt und die berichteten Werte von S-AOM variierten von (mindestens) 1,1 mM [74], einigen mM [57] bis sogar 37 mM (entspricht 3 MPa CH4) [58]. So beschleunigen hoher Druck und damit hohe Methankonzentrationen im natürlichen Lebensraum die Oxidationsrate von Methan durch Mcr. Zukünftige Forschung zur genauen Bestimmung von Werten und Raten für Mcr bei verschiedenen Methanpartialdrücken ist jedoch erforderlich. Dies mag schwierig erscheinen, aber mikrobielle Aktivitätsmessungen bei in situ Methanpartialdruck haben sich im Labor als erfolgreich erwiesen [75].

Es wurde vorgeschlagen, dass die Mcr-Reaktion der geschwindigkeitsbestimmende Schritt in der reversen Methanogenese ist [56], was den oben beschriebenen Herausforderungen entspricht. Diese Befunde werden gestützt, dass es keine wesentliche Änderung in der Aminosäurestruktur zu geben scheint, die bestimmt, ob die Rückwärts- oder die Vorwärtsreaktion von Mcr bevorzugt wird. Aminosäure-Alignments [67] und die Kristallstruktur von ANME-1 Mcr [76] wiesen auf eine hohe Gesamtähnlichkeit des methanogenen und methanotrophen Enzyms hin und zeigten eindeutig, dass CoM-SH und CoB-SH Substrate des methanotrophen Enzyms sind. Allerdings unterschieden sich einige posttranslationale Modifikationen von Aminosäuren zwischen Methanogenen und ANME-Archaea, und der Cofaktor F430 (die prothetische Gruppe von Mcr) ist in ANME-1 modifiziert, jedoch nicht in ANME-2- oder ANME-3-Archaea [51, 63, 67, 68, 76, 77]. Darüber hinaus scheint ANME-1 die nichtkatalytische Protein-D-Domäne des zu fehlen mcr Gen, das in allen anderen Methanogenen und Methanotrophen vorhanden ist, dessen Funktion jedoch unbekannt ist (IPR003901, Tabelle 2) [51]. Ein metabolisch konstruiertes Methanosarcina acetivorans konnte Methan und CO . umwandeln2 zu Acetat mit einem Plasmid, das Mcr enthält, abgeleitet von ANME-1 [78]. Es ist daher unklar, ob nur thermodynamische Randbedingungen und die Häufigkeit von Mcr die AOM-Aktivität sicherstellen oder ob auch spezifische Modifikationen einen Einfluss auf die umgekehrte Aktivität von Mcr haben können.

2.3. Methanoxidation durch Methanogene

Reinkulturen von Methanogenen waren bei hohen Methan- und niedrigen Wasserstoffkonzentrationen nicht in der Lage, Methan zu oxidieren (Übersicht in [79, 80]). Methanogene können Methan nur während der Nettomethanproduktion oxidieren [81]. Die Zugabe von markiertem Methan ( 13 C oder 14 C) zu Reinkulturen von Methanogenen zeigte die Produktion von markiertem CO2 während der Nettomethanproduktion. Diese Eigenschaft wurde mit mehreren Reinkulturen von Methanogenen bestätigt [82–84]. Der Prozess wurde „Spurenmethanoxidation“ (TMO) genannt, da das CO2 wurde relativ zum produzierten Methan in Spuren gebildet [83]. Es ist nicht klar, ob TMO auf die berichtete Reversibilität einzelner Enzyme zurückzuführen ist [66] oder ob es sich um einen aktiven mikrobiellen Prozess handelt, bei dem Energie eingespart werden kann. Aus drei Gründen wurde spekuliert, dass TMO ein aktiver Stoffwechselprozess ist: die Menge an oxidiertem Methan variiert zwischen verschiedenen Methanogenen, die auf demselben methanogenen Substrat gewachsen sind, die Menge an oxidiertem Methan variiert zwischen verschiedenen methanogenen Substraten und TMO-Produkte variierten zwischen verschiedenen methanogenen Substraten [83 , 84]. Zum Beispiel, wenn auf Acetat gezüchtet, Methanosarcina acetivorans produziert markiertes Acetat aus markiertem Methan. Beim Wachsen auf Kohlenmonoxid produzierte es sowohl markiertes Acetat als auch Methylsulfide aus markiertem Methan [84]. Während der hydrogenotrophen und methylotrophen Methanogenese produzierte TMO hauptsächlich CO2 aus markiertem Methan [83]. Im Gegensatz zu AOM überstiegen die TMO-Raten jedoch nie die Methanogenese-Raten, selbst bei Langzeitinkubation mit Methan und Sulfat [85]. Es scheint, dass Methanogene nicht in der Lage sind, Energie aus TMO zu speichern, selbst unter thermodynamisch günstigen Bedingungen. TMO tritt sowohl in Abwesenheit als auch in Gegenwart eines externen Elektronenakzeptors und nur während der Netto-Methanogenese auf. Sie wird daher höchstwahrscheinlich durch den berichteten Rückfluss einzelner Enzyme des methanogenen Stoffwechselwegs verursacht [66].

TMO trat auch in körnigem Schlamm sowie in Süßwasser- und Landproben auf. Diese gemischten Gemeinschaften zeigten höhere TMO-Raten als Reinkulturen und erreichten bis zu 90 % des produzierten Methans [27, 85–87]. TMO sollte daher bei der Untersuchung von AOM in Umweltproben beim Versuchsaufbau und der Interpretation der Ergebnisse sorgfältig berücksichtigt werden, zumal die TMO-Raten wie AOM durch einen hohen Methanpartialdruck stimuliert wurden [72, 86, 88]. Die Sulfatreduktion wurde auch durch höhere Methanpartialdrücke stimuliert [85]. Somit kann ein hoher Methanpartialdruck eine stimulierende Wirkung auf die Methanoxidation (entweder durch AOM oder TMO) und SR haben, die nicht mit S-AOM zusammenhängen könnte. Darüber hinaus ist die Zugabe von Eisensulfat (FeSO4) oder Manganoxid (MnO2) erhöhten auch die TMO-Raten [86]. Daher sind methanabhängige SR und sulfat- bzw. metallabhängige Methanoxidation nicht unbedingt Hinweise auf AOM in Mischkulturen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei der Untersuchung komplexer „Black-Box“-Gemeinschaften nur die Netto-Methanoxidation ein Beweis für die AOM-Aktivität ist.

2.4. Methanproduktion von ANME

Der Prozess von S-AOM befindet sich an der energetischen Grenze für die Erhaltung des Lebens, mit Schätzungen von Gibbs-Freien-Energie-Ausbeuten zwischen −18 und −35 kJ mol −1 [45, 79, 89–91] und Verdopplungszeiten zwischen 1,1 und 7,5 Monaten [ 65, 72, 73, 92, 93]. Da S-AOM nahe seines thermodynamischen Gleichgewichts arbeitet, führt die Reversibilität einzelner Enzyme zu einem messbaren Rückfluss, der während der S-AOM Methan (3–7% des AOM) und Sulfat (5,5–13% des SR) produziert [66]. Diese „Spuren-Methan-Produktion“ wurde in situ [11] und in Sedimentschlämmen beobachtet, mit einer Methanogenese von etwa 10 % [62, 94] oder sogar bis zu 50 % der AOM [34]. Wenn das Sulfat erschöpft ist, werden die Ausbeuten an freier Gibbs-Energie noch niedriger (weniger negativ) und der enzymatische Rückfluss wird noch deutlicher, bis zu 78% der Netto-AOM [95]. Frühere Messungen des 13 C-Abbaus unterhalb der Sulfat-Methan-Übergangszone (SMTZ) mariner Sedimente, die als Hinweis auf die Methanogenese angesehen wurden, könnten daher stattdessen auf den Rückfluss von AOM zurückgeführt werden [95]. Das Vorkommen von ANME-1 ohne bakteriellen Partner in Sedimentschichten, in denen Sulfat abgereichert wurde, wurde zuvor als Beweis dafür interpretiert, dass ANME-1 eine Methanogenese betreibt [24], könnte aber im Lichte der obigen Ausführungen auch auf AOM hinweisen. Es gibt tatsächlich Berichte über AOM-Aktivitäten unterhalb der SMTZ in der methanogenen Zone [96–99]. Im Gegensatz dazu arbeitet AOM mit anderen Elektronenakzeptoren als Sulfat weit entfernt vom thermodynamischen Gleichgewicht mit Änderungen der freien Gibbs-Energie zwischen −517.2 und −841.4 kJ mol Methan −1 (Tabelle 1). Hier wird erwartet, dass der berichtete anaerobe Rückfluss [66] weniger offensichtlich ist.

In Laborinkubationen waren die Forscher nicht in der Lage, die Nettomethanogenese durch Zugabe von methanogenen Substraten zu AOM-durchführenden Sedimenten zu stimulieren [62, 94]. In zwei Fällen waren die Forscher erfolgreich [23, 100]. In einem dieser Fälle wurden sedimentfreie Langzeit-AOM-Anreicherungen, die von ANME/SRB dominiert wurden, mit methanogenen Substraten inkubiert. Die resultierende methanogene Aktivität stammt höchstwahrscheinlich aus der Anreicherung einer kleinen Population von Methanogenen (bis zu 7

der gesamten archaealen Gen-Tag-Sequenzen), die im Inokulum vorhanden waren [100]. In der zweiten Studie wurden den ANME-1- und ANME-2-dominierten mikrobiellen Mattenproben methanogene Substrate zugesetzt und es trat auch eine Methanogenese auf [23]. Für die Gesamtzusammensetzung der Archaeengemeinschaften wurden jedoch keine Angaben gemacht, so dass Methanogene als verantwortliche Organismen nicht ausgeschlossen werden können.

Genomische Informationen von ANME geben auch Hinweise auf potenzielle methanogene Wege. Unter Berücksichtigung der methylotrophen Methanogenese wurden bei ANME keine Genhomologe nachgewiesen, die den Methyltransfer von methylierten Substraten auf Coenzym M katalysieren (Tabelle 2) [40–43]. Acetoklastische Methanogenese benötigt entweder die AMP- und ADP-bildende Acetyl-Coenzym-A-Synthetase (Acs bzw. Acd) oder verläuft über Acetatkinase und Phosphotransacetylase. In ANME-1 wurde während der AOM nur die Alpha-Untereinheit eines Homologen von Acd exprimiert [41], aber in einem ANME-1-Proteom der aktiven AOM-Biomasse wurde kein Acd nachgewiesen [40]. Das Acd-Gen wurde im Single-Aggregate-Genom und Transkriptom von ANME-2a [42] und in ANME-2d [43] nachgewiesen. Gendomänen für Acd sind jedoch auch in Methanogenen vorhanden, die kein Acetat als Substrat verwenden können (Tabelle 2) und werden wahrscheinlich für den Fettstoffwechsel verwendet. Bei der hydrogenotrophen Methanogenese werden Hydrogenasen verwendet, um reduziertes Coenzym B aufzufüllen und oxidiertes F . zu recyceln420 (besprochen in Abschnitt 2.1). Sowohl der zytoplasmatische Mvh-Komplex als auch das membrangebundene Vho waren in ANME-2d nicht vorhanden [43] und wurden in ANME-2a (dem auch Ech und F . fehlten) nicht exprimiert420-abhängige Hydrogenase (Frh)) [42], was eine hydrogenotrophe Methanogenese unwahrscheinlich macht. In ANME-1 sind sowohl das zytoplasmatische HdrABC und MvhD als auch Homologe von Frh und Ech vorhanden, denen jedoch katalytische Untereinheiten fehlten [40, 41]. In beiden ANME-1-Metagenomen wurde eine Eisenhydrogenase gefunden, jedoch in keinem anderen Methanotrophen oder Methanogen [41] (Tabelle 2). Diese Eisenhydrogenase-Domäne ist Teil eines Gens, das zu 70 % identisch mit einer [FeFe]-Hydrogenase von Dehalococcoides mccartyi. [FeFe]-Hydrogenasen katalysieren reversibles H2 Produktion und Aufnahme, wobei diesen jedoch keine Schlüsselfunktion bei AOM zugeschrieben wurde [41]. Das Gen ist jedoch Teil eines Genclusters von drei Genen, die eine 51 kDa NADH enthalten: Ubichinon-Oxidoreduktase-Untereinheit (Tabelle S3), die möglicherweise einen Komplex bilden könnten, der während der Wasserstoffoxidation eine Protonenantriebskraft erzeugt. Daher kann eine hydrogenotrophe Methanogenese durch ANME-1 noch nicht ausgeschlossen werden.

3. Atmung während der anaeroben Oxidation von Methan

Damit eine Netto-AOM auftritt, wird ein externer Elektronenakzeptor benötigt, der zu einer günstigen Änderung der freien Gibbs-Energie führt (Tabelle 1). Für AOM wurden verschiedene terminale Elektronenakzeptoren entdeckt, die in den Abschnitten 3.1–3.3 diskutiert werden.

3.1. Sulfatabhängige AOM

Bei der sulfatabhängigen AOM werden Elektronen von ANME auf den sulfatreduzierenden bakteriellen Partner übertragen. Frühere Arbeiten versuchten aufzudecken, wie Elektronen übertragen werden, und die meisten Verbindungen, die als Interspezies-Elektronenträger (IEC) fungieren könnten, wurden ausgeschlossen, an AOM beteiligt zu sein, wie Methanol, Wasserstoff, Methanthiol, Acetat und Kohlenmonoxid [57, 61, 62, 94, 101]. Es wurden Hinweise darauf gefunden, dass Polysulfid als IEC wirken könnte, und es wurde angenommen, dass ANME-2a-Archaea sowohl AOM als auch Sulfatreduktion (SR) bewirken [102]. In Meeresquellen, hydrothermalen Quellen und anderen nicht diffusionsbasierten Sedimenten sind die AOM-Raten jedoch hoch und ANME bilden in dichten Aggregaten enge Assoziationen mit SRB [1, 5, 103, 104]. In diesen Aggregaten konnten die hohen AOM-Raten nicht durch die Diffusion einer IEC erklärt werden, was den direkten Interspezies-Elektronentransfer (DIET) zu einem plausibleren Mechanismus machte [89, 105, 106]. Zelluläre Aktivitäten waren unabhängig vom Aggregattyp und der Entfernung zwischen den syntrophischen Partnern innerhalb des Aggregats, was am besten von DIET erklärt wird [107]. DIET wird normalerweise mit Multihäm-Cytochrom-c-Proteinen (MHCs) und leitfähigen Pili (d. h. Nanodrähten) erreicht, die hauptsächlich in Bakterien vorkommen, die Elektronen extrazellulär spenden, wie z Geobakterien und Shewanella Arten [108–114]. Tatsächlich scheint ANME-2a aus Sickersedimentproben Elektronen direkt unter Verwendung großer MHCs zu übertragen [107], die im Metagenom von ANME-2a gefunden wurden [107, 115]. ANME-1 und der assoziierte bakterielle Partner überexprimierten auch Gene für extrazelluläre MHCs während der AOM [116], was frühere Erkenntnisse zur Transkription [41] und Translation [40] von ANME-1-verwandten MHC-Genen ergänzt. Die domänenbasierte (Meta-)Genomanalyse zeigt die hohe Häufigkeit von MHC-Domänen in verschiedenen ANME im Vergleich zu Methanogenen (Tabelle 2). Ein kürzlich isolierter bakterieller Partner von ANME-1 („HotSeep-1“) stellte auch Zell-zu-Zell-Verbindungen mithilfe von Pili-abgeleiteten Nanodrähten her [116], was zuvor entdeckte Deltaproteobakterien-verwandte Pili-Gene in einer von ANME-1 dominierten AOM-Probe [40].

Wie ANME MHCs verwendet, um Elektronen an den bakteriellen Partner zu spenden, ist noch nicht klar. Bei ANME-2a fließen die Elektronen wahrscheinlich von Methanophenazin zu membranintegrierten Di-Häm-Cytochromen (Cytochrom

), die die Elektronen durch die S-Schicht über MHC/S-Schicht-Fusionsproteine ​​auf extrazelluläre MHCs übertragen (Abbildung 4) (Abbildung

in [107]). Exosortasen und Archaea-spezifische Archaeosortasen sind am Export von Zelloberflächenproteinen, wie den archaealen S-Layer-Proteinen, beteiligt. Diese Transpeptidasen erkennen spezifische Signalpeptide für die Proteinsortierung, dh Archäosortase A erkennt das Proteinsortierungssignal PGF-CTERM und Archäosortase C erkennt das PEF-CTERM-Signal [117]. Sowohl ANME-2a als auch 2d zeigen das Vorhandensein von Di-Häm-Cytochromen, Archaeosortase A (IPR014522), Archaeosortase C (IPR022504) und anderen Exosortase-Gendomänen (Tabelle 2). Darüber hinaus enthielten einige Gene sowohl von ANME-2a als auch von 2d sowohl MHC- als auch PGF- oder PEF-CTERM-Domänen. Schließlich enthielten einige Gene sowohl von ANME-2a als auch von 2d sowohl MHC- als auch S-Schicht-Domänen [107], was darauf hinweist, dass diese die oben genannten MHC/S-Schicht-Fusionsproteine ​​bilden könnten.

ANME-1 scheinen keine Di-Häm-Cytochrome zu haben (Tabelle 2) [115]. PGF-verwandte Domänen (IPR026453 und IPR026371) waren in allen ANME vorhanden, aber PEF-CTERM (IPR017474)-verwandte Domänen fehlten in ANME-1 (Tabelle 2). Darüber hinaus fehlten ANME-1 die Gendomänen Archaeosortase A (IPR014522) und Archaeosortase C (IPR022504) sowie einige andere Exosortasen (Tabelle 2). Eine Suche in der NCBI-Datenbank für konservierte Domänen (CCD, [118]) und der EMBL InterPro-Datenbank [119] nach Aminosäuresequenzen aller Gene aus ANME-Metagenomen, die MHC-Domänen enthalten, zeigte, dass ANME-1 kein Proteinsortierungssignal aufwies oder S-Schicht-Domänen innerhalb dieser Gene. Tatsächlich fehlten S-Schicht-Domänen in ANME-1 vollständig (Tabelle 2). Diese Ergebnisse implizieren, dass ANME-1 keine Di-Häm-Cytochrome für den Elektronentransfer auf MHCs verwendet und keine S-Schicht produziert (Abbildung 6). Dies impliziert, dass ANME-1 einen anderen Mechanismus für DIET verwendet und könnte den Bedarf an weniger MHCs durch ANME-1 (Tabelle 2) und die beobachteten Pili-abgeleiteten Nanodrähte, die vom bakteriellen Partner produziert werden, erklären [116]. Das Genom des bakteriellen Partners von ANME-1 („HotSeep-1“) kodiert 24 C-Typ Cytochrome, von denen 10 den sezernierten MHCs von . ähnlich waren Geobacter sulfurreducens [120] die auch Pili für DIET verwendet [121].

Im Fall von ANME-2a ist nicht klar, ob während der AOM Pili (d. h. Nanodrähte) gebildet wurden. Früher wurde angenommen, dass elektrisch leitfähige Pili eine Voraussetzung für die aktuelle Produktion und DIET zu sein scheinen [122, 123], selbst wenn Syntrophe eng assoziiert waren [124] wie in ANME-2/SRB-Aggregaten. Es wurde jedoch gezeigt, dass leitfähige Materialien wie granulierte Aktivkohle Pili in DIET ersetzen können [124]. Obwohl in früheren Arbeiten leitfähige Materialien wie Phenazine oder Huminsäuren die AOM-Raten nicht zu stimulieren schienen [61], wurde in einer neueren Studie AOM von SR mit künstlichen Elektronenakzeptoren entkoppelt [125]. Dies deutet darauf hin, dass leitfähige Materialien tatsächlich Pili ersetzen können und dass ANME-2a/b möglicherweise AOM an die Metalloxidreduktion oder jeden anderen geeigneten Elektronenakzeptor koppeln könnte (siehe Abschnitt 3.3). Es muss jedoch nachgewiesen werden, ob in ANME-2/SRB-Aggregaten keine Pili gebildet werden und sich der Mechanismus der DIET grundsätzlich von ANME-1 unterscheidet.

Was die Polysulfid-Shuttle-Theorie angeht [102], kanonische Gene für die dissimilatorische Sulfatreduktion wie Adenylyltransferase (Sat), APS-Reduktase (Apr) und dissimilatorische Sulfitreduktase (Dsr), die alle im Sulfat-reduzierenden Archeon vorhanden sind A. fulgidus (Tabelle S2) wurden in Metagenomen von ANME-1 [41] und ANME-2a (Tabelle S1) nicht gefunden. Auch die Enzyme Sat und Dsr wurden in ANME-Zellen mittels fluoreszierender Immunmarkierung nicht nachgewiesen [126]. Es wurde zuvor festgestellt, dass ANME-1 die meisten Proteine ​​für die assimilatorische Sulfatreduktion kodiert [41]. ANME-2d beherbergen nur Gendomänen, die Sat und assimilatorische ATP-Sulfurylase, APS-Kinase und Natrium/Sulfat-Symporter kodieren, die in ANME-2a nicht vorhanden waren (Tabelle S1). Es ist daher klar, dass zumindest ANME-2a keine Elektronen an Sulfat abgeben kann, sondern Elektronen an einen sulfatreduzierenden Partner abgeben muss.

3.2. Nitrat-abhängiges AOM

Anders als bei S-AOM benötigen ANME-2d, die N-AOM durchführen, keinen bakteriellen Partner, sondern übertragen Elektronen direkt auf eine membrangebundene Nitratreduktase (Nar) [28, 43] (Abbildung 5). Die ANME-2d-Genome enthalten die meisten MHCs, die bisher in Archaeen gefunden wurden [107, 115] (Tabelle 2). Von den 87 Proteinen, die ein CxxCH-Bindungsmotiv enthielten, schienen 43 davon wahr zu sein C-Typ Cytochrome [115], 23 CxxCH-Motiv-kodierende Transkripte wurden während der N-AOM exprimiert [43]. Die Funktion der meisten dieser MHCs ist nicht bekannt, aber sie sind wahrscheinlich an der Nitratreduktion beteiligt, da C-Cytochrome sind in der Lage, in einem weiten Bereich von Redoxpotentialen zu arbeiten, die die Nitratreduktion koppeln (

) = +433 mV) und Methanoxidation ( (CoM-S-S-CoB/CoM-SH+CoB-SH) = −143 mV) [43]. Nitrat als terminaler Elektronenakzeptor bei der anaeroben Atmung wurde in halophilen und thermophilen Archaeen gefunden [127]. Die nar Gencluster von „Ca. M. nitroreducens“ umfasst mehrere Gene, darunter die katalytische Alpha- (NarG, Molybdopterin) und Beta-Untereinheit (NarH, Eisen-Schwefel-Cluster) der Nitratreduktase [28, 43]. Es wurde berichtet, dass der (Halo)archaeale Nitratreduktase-Komplex auf der extrazellulären Seite der Zytoplasmamembran lokalisiert ist [128] und in den meisten Archaeen über NarM mit der Zytoplasmamembran assoziiert ist [129]. Die "Ca. Das Genom von M. nitroreducens kodiert nicht für NarM, sondern kodiert ein TAT-Signalpeptid am N-Terminus von NarG zur Translokation durch die zytoplasmatische Membran [28, 43]. Interessanterweise scheinen NarG und NarH durch lateralen Gentransfer aus den Proteobakterien gewonnen worden zu sein [28].

Es ist noch nicht klar, an welcher Stelle des Stoffwechsels“Ca. M. nitroreducens“ spart Energie. Während der reversen Methanogenese wird N 5 -Methyl-H4MPT:CoM Methyltransferase (Mtr) leitet das Natriumionenpotential über die Zytoplasmamembran ab, sodass nachfolgende Schritte in N-AOM mit dem Aufbau einer Protonen- oder Natriummotorik gekoppelt werden müssen, um den Gesamtprozess energetisch günstig zu gestalten. Die Analyse eines Umweltgenoms [43] zeigte das Vorhandensein mehrerer Proteinkomplexe, die am Elektronentransport und an der Energieerhaltung beteiligt sind. Elektronen, die in die Atmungskette eintreten, könnten von membranintegrierten Elektronenträgern (d. h. Menachinonen) zu einem Rieske-Cytochrom transportiert werden B Komplex, der Cytochrom verwenden kann C als Elektronenakzeptor. Dieser wiederum könnte der Elektronendonor für den ungewöhnlichen Nitratreduktase-Komplex sein. Energieerhaltung ist am F . thermodynamisch und mechanistisch machbar420h2 Dehydrogenase und das Rieske-Cytochrom B Komplex (Abbildung 5) (Abbildung in [43]). Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um festzustellen, ob die Nitratreduktase auch an der Energieeinsparung beteiligt ist, aber diese Arbeitshypothese wird durch das Vorhandensein von Cupredoxin, Multikupferoxidase-Domänen und Kupferzentren, die mit der periplasmatischen Domäne des Cytochroms in Verbindung stehen, gestärkt C Oxidase-Untereinheit II (HCO II) in ANME-2d (Tabelle S1).

Beide hier diskutierten ANME-2d-Genome stammen aus Bioreaktoren, in denen „Ca. M. nitroreducens“ bildeten syntrophe Kulturen mit Nitrit-Fängerbakterien, entweder mit „Ca. Kuenenia stuttgartiensis“ (Anammox-Bakterien) [28] oder „Ca. Methylomirabilis oxyfera“ (NC10-Bakterien) [31, 43]. Dies deutete darauf hin, dass ANME-2d für die Nitritentfernung von diesen Bakterien abhängig sein könnte. Aber neben Nitrit „Ca. M. nitroreducens“ kann auch während der AOM durch ein Pentahäm Ammonium produzieren C-Typ-Nitrit-Reduktase (NrfAH), die im Genom kodiert ist [43] (Abbildung 5). Tatsächlich enthalten beide ANME-2d-Genome Domänen für NrfA (IPR003321) und NrfH (IPR017571) (Tabelle S1), was bedeutet, dass beide ANME-2d-Spezies während der AOM nicht unbedingt auf einen Nitritfänger angewiesen sind.

3.3. Metallabhängige AOM

Hinweise auf metallabhängige AOM wurden in marinen Sedimenten gefunden [130-132]. In nichtmarinen Umgebungen wurde die Hypothese aufgestellt, dass AOM an die Reduktion von Eisen- und/oder Manganoxid gekoppelt ist [26, 133–136] oder sogar an die Reduktion von Huminsäuren gekoppelt ist [136, 137]. Organismen, die für metallabhängige AOM verantwortlich sind, wurden in diesen Studien jedoch nicht identifiziert. Es wurde spekuliert, dass JS1-Bakterien, methanogene Archaeen und Methanohalobium/ANME-3 könnte für eisenabhängige AOM verantwortlich sein [138]. Andere Forscher spekulierten, dass entweder ANME-1 oder Methanokokkoiden/ANME-3 zusammen mit einem bakteriellen Partner waren für die manganabhängige AOM verantwortlich [139]. In einer anderen Studie, in der AOM von SR entkoppelt wurde, wurden ANME nicht nachgewiesen, was die Möglichkeit offen lässt, dass neben ANME auch andere Archaeenkladen metallabhängige AOM durchführen könnten [131].

Kürzlich wurde beobachtet, dass Kulturen, die ANME-2a und ANME-2c enthalten, in Gegenwart von künstlichen Elektronenakzeptoren, Huminsäuren und löslichem Eisen AOM von SR entkoppeln können [125], was frühere Befunde von AOM bestätigte, die nicht mit SR in ANME-dominierten verbunden waren Proben [140]. Dies legt nahe, dass ANME-2 auch unlösliche Metalloxidmineralien als Elektronenakzeptor während der AOM verwenden könnte. Die MHCs von ANME-2a/b und ANME-2d sind größer als die in Shewanella und Geobakterien Spezies [107], von denen bekannt ist, dass sie zur extrazellulären Elektronenleitung fähig sind. Es wurde spekuliert, dass sowohl ANME-2d als auch Ferroglobus placidus, von denen letztere eine feste Eisenreduktion durchführen können, können CxxCH-Motive zu extrazellulären leitfähigen Strukturen oder Pili falten [115]. Viele der MHCs von ANME-2d wurden beim Anbau mit Nitrat nicht exprimiert (siehe Abschnitt 3.2), was bedeutet, dass diese für die Nitratreduktion nicht benötigt werden [43]. Dies stärkt die Hypothese, dass auch ANME-2d AOM an die Reduktion anderer extrazellulärer Elektronenakzeptoren als Nitrat und sogar an unlösliche Metalloxide koppeln könnte. Tatsächlich zeigten neuere Arbeiten, dass ANME-2d an AOM in Verbindung mit Chrom(VI)-Reduktion [141] (Tabelle 1, Reaktion (5)) und in AOM in Verbindung mit der Reduktion von löslichem Eisen und unlöslichen Ferrihydrit- und Birnessit-Mineralien [ 142] (Tabelle 1, Reaktionen (3) und (4)). ANME-2d könnte möglicherweise sogar Elektronen an einen bakteriellen Partner abgeben: Neben nitratreichen Umgebungen wurden ANME-2d-Archaea in Brunnen eines Aquifers gefunden, in denen sich Sulfat- und Methankonzentrationen überlappen [143]. Darüber hinaus war ANME-2d die einzige Klade, die in Sedimenten eines Süßwassersees nachgewiesen wurde, in dem S-AOM auftrat [144]. Die Sulfatkonzentrationen in diesen Studien waren niedrig, aber über 1 mM und damit höher als die niedrigsten berichteten Konzentrationen für das Auftreten von S-AOM [145, 146]. Schließlich waren Sequenzen von ANME-2d in Süßwassersedimenten, die mit Methan und Sulfat gefüttert wurden, relativ häufiger als in Sedimenten, die nur mit Methan oder nur mit Sulfat gefüttert wurden, und es wurde keine N-AOM-Aktivität nachgewiesen, wenn mit Nitrat und Methan gefüttert wurde [27]. Diese Hinweise versprechen, dass in Zukunft direkte experimentelle Beweise für sulfatabhängige AOM durch ANME-2d gefunden werden könnten.

Das ANME-1-Genom enthält weniger MHC-Gendomänen als ANME-2a und ANME-2d und einige andere Archaeen, wie einige methylotrophe Methanogene (Tabelle 2) und einige Mitglieder der Archaeoglobales [115]. Die MHCs von ANME-1 haben im Vergleich zu anderen ANME und einigen anderen Archaeen auch eine geringere Hämzahl, wobei das größte ein Oktahäm-Cytochrom ist [107]. Jedes Häm innerhalb eines MHC hat sein eigenes Redoxpotential und daher stellen strukturell unterschiedliche MHCs einen großen Bereich von Redoxpotentialen dar, die für den bioenergetischen Elektronentransfer verwendet werden können (Übersicht in [147]). Zum Beispiel Metalloxidreduktion in Shewanella oneidensis MR-1 wird durch eine Kette aus einem Tetrahäm (CymA), zwei Dekahäm (MtrA und MtrB) und schließlich extrazellulären Dekahäm-Cytochromen OmcA/MtrC katalysiert, die die Eisenmineralien reduzieren [121, 148, 149]. In Geobacter sulfurreducens, scheint die Eisenmineralreduktion durch das Tetrahäm-Cytochrom OmcE und Hexahäm-Cytochrom OmcS katalysiert zu werden, die Elektronen von der äußeren Membran auf Typ-IV-Pili übertragen, die die Elektronen auf Eisenmineralien übertragen [121, 150, 151]. Da ANME-1 MHCs der richtigen Größe und Gendomänen für die Pili-Produktion fehlen [116], scheinen sie nicht in der Lage zu sein, Mineralien über beide Mechanismen zu reduzieren, die in Shewanella und Geobakterien. Es kann daher spekuliert werden, dass ANME-1 bei der Verwendung von Elektronenakzeptoren weniger vielseitig ist und feste Metalloxide nicht reduzieren kann. Die DIET-Mechanismen sind jedoch noch nicht gut verstanden und die wahren Unterschiede zwischen MHCs verschiedener ANME-Typen müssen mit biochemischen Methoden untersucht werden. Dies würde es ermöglichen, die wahren Fähigkeiten in Bezug auf DIET aufzudecken.

3.4. Menaquinone und Methanophenazine

ANME-2a kodierte für ein Protein mit einer spezifischen Domäne für PhzF, einem Enzym, das an der Phenazin-Biosynthese in . beteiligt ist Pseudomonas fluorescens [152, 153]. Das entsprechende Gen ist nicht in allen Methanophenazin-haltigen Methanogenen vorhanden (in unserem Genomvergleich nur in M. acetivorans und M. formicica, Tabelle 2), daher ist unklar, ob dieses Enzym wirklich an der Methanophenazin-Biosynthese beteiligt ist. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass ANME-2a Methanophenazine in ihrer Atmungskette verwendet, da Gendomänen für die Menachinon-Biosynthese fehlten (Tabelle 2). “Ca. M. nitroreducens“wahrscheinlich verwendet Menachinone als membranintegralen Elektronenträger, da Umwelt Genomen [28, 43], um die codierten futalosine (MQN) Biosyntheseweg wie berichtet für Archaeoglobus fulgidus [154] (Tabelle 2). Außerdem, "Ca. Anreicherungskulturen von M. nitroreducens zeigten das Fehlen von Methanophenazinen [43]. ANME-1 enthielt auch Gendomänen für die Menachinon-Biosynthese über den Futalosin (mqn)-Biosyntheseweg (Tabelle 2). Hinweise auf einen Chinon-Biosyntheseweg in ANME-1 erwiesen sich zuvor als schwach, da nur einige der Ubi-Homologe des oxischen Ubichinon-Biosynthesewegs nachgewiesen wurden [41], aber der Futalosin (mqn)-Biosyntheseweg wurde in dieser speziellen Analyse übersehen. Darüber hinaus haben ANME-1 Fqo-Homologe ähnlich wie Archaeoglobus fulgidus [44] und exprimierten die katalytische Untereinheit FqoF [41]. Da jedoch die Phenazin-Biosynthesedomäne PhzF auch in den ANME-1-Genomen vorhanden war (Tabelle 2) und Fpo und Fqo Homologe sind, können wir allein aus genomischen Informationen nicht schließen, welches Redox-Shuttle von ANME-1 während der AOM verwendet wird. Wenn ANME-1 Menachinone verwenden würde, hätte dies Auswirkungen auf den nachfolgenden Elektronentransfer auf MHCs, da Methanophenazin ( = −165 mV) [155] und Menachinon ( = −80 mV) [156] unterschiedliche Redoxpotentiale haben.

3.5. Zelladhäsion

Einige Gendomänen, die an der zellulären Adhäsion beteiligt sind, waren in ANME häufiger als in Methanogenen (Tabelle 2), insbesondere in ANME-2a und ANME-1, von denen bekannt ist, dass sie während der Atmung syntrophische Wechselwirkungen für den Elektronentransfer bilden. Zu diesen Domänen gehören HYR- (IPR003410) und CARDB-Domänen (IPR011635), die beide eine direkte Rolle bei der zellulären Adhäsion spielen [157] (Tabelle 2). Interessanterweise sind auch Domänen im Zusammenhang mit dem Zellulosom von Clostridium Spezies, die als Dockerin und Cohesin bezeichnet werden, waren sowohl in ANME-1 als auch in ANME-2a im Vergleich zu ANME-2d und Methanogenen, zusammen mit vielen Kohlenhydrat-Bindungsdomänen, sehr reichlich vorhanden (Tabelle 2). In Clostridium Spezies bilden Dockerin und Cohesin einen Anker an der bakteriellen Zellwand, der ein Gerüst mit zelluloseabbauenden Enzymen und ein Kohlenhydrat-Bindungsmodul enthält, das Zellulose bindet und zusammen das Zellulosom bildet [158].Diese Domänen wurden in allen Lebensbereichen unabhängig von der Zelluloseverwertung gefunden, aber die Funktion solcher Proteine ​​außerhalb des Zellulosoms ist nicht bekannt [159]. Daher könnten Dockerin-, Cohesin- und Kohlenhydratbindungsdomänen in ANME hypothetisch ein Konstrukt bilden, das an Kohlehydrate bindet und möglicherweise eine Funktion beim Zell-zu-Zell-Kontakt oder der MHC-Adhäsion haben könnte, aber dies bedarf weiterer Untersuchungen.

4. Zukünftige Herausforderungen

Fortschritte in der (Meta-)Genomik, Transkriptomik und Proteomik haben die wertvollen metabolischen Baupläne verschiedener ANME mit Hypothesen über die Funktionsweise des zentralen Stoffwechsels, des Elektronentransports und der Energieerhaltung hervorgebracht. Zukünftige Experimente sind notwendig, um biochemisch zu beweisen, dass diese Hypothesen richtig sind.

Der Flaschenhals für biochemische Studien von ANME ist das Fehlen von Reinkulturen aufgrund des langsamen und syntrophischen Wachstums. Die jüngste Meilensteinentdeckung des direkten Elektronentransfers bietet jedoch Möglichkeiten, ANME, wie bereits erwähnt, auf elektronenaufnehmenden Elektroden (d. h. Anoden) zu züchten [160]. Auf diese Weise konnten reine oder hochangereicherte Kulturen verschiedener ANME ohne ihren jeweiligen syntrophischen Partner gewonnen und MHCs, die für die elektrische Leitung verantwortlich sind, biochemisch charakterisiert werden. Es scheint, dass ANME-1 durch die Größe und Häufigkeit von MHCs begrenzt ist, was auf Unterschiede im Verhalten an einer Anode zurückzuführen sein könnte. Die Partnerbakterien von ANME-1 und ANME-2 konnten an einer elektronenspendenden Elektrode (d. h. Kathode) untersucht werden, mit besonderem Fokus auf die Fähigkeit, Pili (d. h. Nanodrähte) zu produzieren. Es lohnt sich auch zu untersuchen, ob ANME-2a/b neben ANME-2d auch unlösliche Elektronenakzeptoren verwenden könnte und ob ANME-2d Elektronen an einen bakteriellen Partner abgeben könnte.

Eine weitere Herausforderung für die Zukunft besteht darin, Mcr aus verschiedenen ANME-Kladen zu isolieren und zu charakterisieren. Es muss untersucht werden, ob die Mcr-Häufigkeit in ANME-Zellen die langsame Reverse-Aktivität kompensiert oder ob Modifikationen im Mcr von ANME-1 auch zu einer besseren Reverse-Aktivität von Mcr beitragen. Darüber hinaus muss der Einfluss des Methanpartialdrucks auf die Reaktionsgeschwindigkeit und die Enzymkinetik in situ bestimmt werden.

ANME-1 sind aufgrund des Vorhandenseins einer Hydrogenase im Genom potenziell in der Lage, eine hydrogenotrophe Methanogenese durchzuführen. Genetische Hinweise auf Menachinone als Elektronenträger in ANME-1 und die verschiedenen Zellulosomen- und Zelladhäsions-bezogenen Gendomänen in allen ANME sind ebenfalls Themen, die weiter erforscht werden könnten. Methanogene Archaeen sind wahrscheinlich nicht in der Lage, AOM durchzuführen, aber zusätzliche Studien zu TMO und weiteren genetischen Modifikationen zur Stimulierung von AOM in Methanogenen könnten helfen, die Parameter zu verstehen, die für das Auftreten von AOM erforderlich sind. Letztendlich wird das physiologische Verständnis von ANME helfen, die beobachtete ökologische Nischentrennung verschiedener ANME-Kladen und das Auftreten von ANME ohne bakteriellen Partner zu erklären. Dies würde unser Wissen über den Methankreislauf in anoxischen Umgebungen erheblich verbessern.

Konkurrierende Interessen

Die Autoren erklären, dass bezüglich der Veröffentlichung dieser Arbeit kein Interessenkonflikt besteht.

Danksagung

Die Autoren danken Stefanie Berger (RU, Nijmegen) für die kritische Durchsicht des Manuskripts. Diese Forschung wird vom Soehngen Institute of Anaerobic Microbiology (SIAM) Gravitation Grant (024.002.002) des niederländischen Ministeriums für Bildung, Kultur und Wissenschaft und der niederländischen Organisation für wissenschaftliche Forschung (NWO) unterstützt. Mike S. M. Jetten wurde außerdem von der ERC AG 339880 Eco-MoM und Alfons J. M. Stams von der ERC AG 323009 Novel Anaerobes unterstützt.

Zusatzmaterialien

Dieses ergänzende Material enthält Daten zum domänenbasierten (Meta-)Genomvergleich ausgewählter Metagenome von Methanotrophen und Genomen ausgewählter Archaea, die zum Artikel „Reverse methanogenesis, and respiration in methanotrophic archaea“ von Peer H.A. gehören. Timmers, Cornelia U. Welte, Jaspis J. Koehorst, Caroline M. Plugge, Mike S. M. Jetten und Alfons J. M. Stams.

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Mikrobielle Vielfalt und biochemisches Potenzial, kodiert durch Metagenome von Thermalquellen, die von der Halbinsel Kamtschatka stammen

1 Institut für Genomische und Angewandte Mikrobiologie und Göttinger Genomiklabor, Institut für Mikrobiologie und Genetik, Georg-August-Universität Göttingen, Grisebachstraße 8, 37077 Göttingen, Deutschland

2 Sektion Agrarentomologie, Institut für Nutzpflanzenwissenschaften, Georg-August-Universität Göttingen, Grisebachstraße 6, 37077 Göttingen, Deutschland

Abstrakt

Vulkanische Regionen enthalten eine Vielzahl von Umgebungen, die für Extremophile geeignet sind. Diese Studie konzentrierte sich auf die Bewertung und Nutzung der prokaryotischen Diversität von zwei mikrobiellen Gemeinschaften, die aus verschiedenen kamtschatkischen Thermalquellen durch metagenomische Ansätze stammen. Proben wurden aus einer thermoacidophilen Quelle in der Nähe des Mutnovsky-Vulkans und aus einer thermophilen Quelle in der Uzon Caldera entnommen. Umwelt-DNA für die metagenomische Analyse wurde aus gesammelten Sedimentproben durch direkte Zelllyse isoliert. Die Zusammensetzung der prokaryontischen Gemeinschaft wurde durch Analyse von archaealen und bakteriellen 16S-rRNA-Genen untersucht. Eine Gesamtzahl von 1235 16S rRNA-Gensequenzen wurde erhalten und für die taxonomische Klassifizierung verwendet. Am häufigsten in den Proben waren Mitglieder von Thaumarchaeota, Thermotogae, und Proteobakterien. Die heiße Quelle von Mutnovsky wurde von der Terrestrial Hot Spring Group dominiert. Kosmotoga, und Acidithiobazillen. Die Uzon Caldera wurde von unkultivierten Mitgliedern der Miscellaneous Crenarchaeotic Group dominiert und Enterobakterien. Die restlichen 16S rRNA-Gensequenzen gehörten zu den Aquificae, Diktyoglomi, Euryarchaeota, Korarchaeota, Thermodesulfobakterien, Firmen, und einige potenzielle neue Stämme. Darüber hinaus wurde die gewonnene DNA zur Erzeugung metagenomischer Bibliotheken verwendet, die anschließend nach Genen durchsucht wurden, die für lipolytische und proteolytische Enzyme kodieren. Drei neue Gene, die lipolytische Aktivität verleihen, und ein Gen, das proteolytische Aktivität verleiht, wurden identifiziert.

1. Einleitung

Orte vulkanischer Aktivität sind auf der ganzen Welt und sogar unter dem Meer zu finden. Vulkanische Regionen bieten eine Vielzahl unterschiedlicher Umgebungen für extremophile archaeale und bakterielle Mikroorganismen. Bekannte Beispiele für solche extremen Umgebungen sind heiße Quellen an der Erdoberfläche. In Bezug auf geografische, physikalische, umweltbezogene und chemische Eigenschaften sind heiße Quellen einzigartige Standorte für extremophile Mikroorganismen [1–3]. Extremophile, die heiße Quellen bewohnen, gelten als die nächsten lebenden Nachkommen der frühesten Lebensformen auf der Erde [4, 5]. Daher geben diese Quellen Einblicke in die Entstehung und Entwicklung des Lebens. Darüber hinaus produzieren Thermophile und Hyperthermophile eine Vielzahl hydrolytischer Enzyme wie Lipasen, Glykosidasen, Peptidasen und andere Biomoleküle, die von industriellem Interesse sind [6–8]. Hotta et al. [9] fanden eine extrem stabile Carboxylesterase im hyperthermophilen Archaeon Pyrobaculum calidifontis VA1 und Arpigny et al. [10] identifizierten ein neues hitzestabiles lipolytisches Enzym in Sulfolobus acidocaldarius DSM639.

Vor allem in extremen Umgebungen lehnen die meisten Mikroorganismen kultivierungsbasierte Ansätze ab [11, 12]. Daher sind kulturunabhängige metagenomische Strategien vielversprechende Ansätze, um die phylogenetische Zusammensetzung und das funktionelle Potenzial von mikrobiellen Gemeinschaften, die in extremen Umgebungen leben, zu beurteilen [7, 13, 14]. Simonet al. untersuchten die prokaryontische Gemeinschaft im Gletschereis und fanden eine sehr vielfältige Bakteriengemeinschaft [15]. 1998 haben Hugenholtz et al. [1] untersuchten die bakterielle Diversität im Obsidian Pool im Yellowstone National Park und identifizierten mehrere neue bakterielle Divisionen. Derselbe Pool und zwei weitere wurden später von Meyer-Dombard et al. [16]. Sie trafen in allen drei heißen Quellen auf verschiedene Bakterien- und Archaeengemeinschaften.

In der vorliegenden Studie haben wir die phylogenetische Zusammensetzung und das metabolische Potenzial von zwei mikrobiellen Gemeinschaften untersucht, die von zwei extremen Standorten der Halbinsel Kamtschatka im Fernen Osten Russlands stammen. Die Halbinsel Kamtschatka umfasst eine Fläche von ca. 472.300 km 2 und wird als die Land des Feuers von seinen ersten Entdeckern aufgrund der hohen Dichte an Vulkanen und den damit verbundenen vulkanischen Phänomenen. Auf der Halbinsel Kamtschatka befindet sich beispielsweise der größte aktive Vulkan der nördlichen Hemisphäre, der Kljutschewskaja Sopka. Die in dieser Studie analysierten Sedimentproben wurden aus zwei heißen Quellen entnommen, die eine thermoacidophile (70 °C, pH 3,5–4) oder eine thermophile (81 °C, pH 7,2–7,4) Umgebung bieten. Die Zusammensetzung der prokaryotischen Gemeinschaften der beiden heißen Quellen von Kamtschatk wurde durch 16S-rRNA-Genanalyse untersucht. Darüber hinaus wurden metagenomische Bibliotheken erstellt und auf neue Biokatalysatoren gescreent.

2. Materialien und Methoden

2.1. Probenahme und DNA-Extraktion

Aus den heißen Quellen auf der Halbinsel Kamtschatka wurden im Sommer 2001 zwei Sedimentproben entnommen. Die erste Probe wurde aus einer thermoacidophilen Quelle (70 °C, pH 3,5–4) am Vulkan Mutnovsky (52.453 N, 158.195 E) entnommen. Die zweite Probe wurde aus einer thermophilen Quelle (81°C, pH 7,2–7,4) in der Uzon Caldera (54,5 N, 159,967 E) entnommen. Die chemische Analyse beider Sedimentproben ist in Tabelle 1 dargestellt.

DNA wurde wie von Zhou et al., 1996 [17] beschrieben extrahiert. Die Konzentration der gewonnenen DNA wurde mit einem NanoDrop ND-1000 Spektrophotometer (PEQLAB, Erlangen, Deutschland) quantifiziert.

2.2. Amplifikation von 16S rRNA-Genen und Generierungsklonbibliotheken

Um die prokaryontische Gemeinschaftsstruktur zu beurteilen, wurden archaeale und bakterielle 16S rRNA-Gene mittels PCR amplifiziert und analysiert. Die PCR-Reaktionsmischung (50 μL) enthalten 2.5 μL von 10-fach Mg-frei Taq Polymerasepuffer, 200 μM von jedem der vier Desoxynukleosidtriphosphate, 1,75 mM MgCl2, 0.4 μM von jedem Primer, 1 U von Taq DNA-Polymerase (Fermentas, St. Leon-Rot, Deutschland) und etwa 25 ng gewonnene DNA als Matrize. Prokaryotische 16S-rRNA-Gene wurden mit dem folgenden Satz von Primern amplifiziert: 8F 5′-AGAGTTTGATCMTGGC-3′ [18] und 1114R 5′-GGGTTGCGCTCGTTRC-3′ [19], A800F 5′-GTAGTCCYGGCYGTAAAC-3′ [20] und A1530R 5′-GGAGGTGATCCAGCCG-3′ [21] und Arch8F 5′-TCCGGTTGATCCTGCCGG-3′ [15] und Arch958R 5′-YCCGGCGTTGAMTCCAATT-3′ [22]. Das folgende Schema der thermischen Zyklen wurde verwendet: anfängliche Denaturierung bei 94 °C für 2 min, 25 Denaturierungszyklen bei 94 °C für 1,5 min, Annealing bei 56 °C (8F und 1114R), 51 °C (A800F und A1530R), oder 55 °C (Arch8F und 958R), gefolgt von einer Verlängerung bei 72 °C (1 min für 1 kb). Die letzte Verlängerung wurde bei 72 °C für 10 min durchgeführt. Negativkontrollen wurden unter Verwendung der Reaktionsmischung ohne Matrize durchgeführt. Die erhaltenen PCR-Produkte wurden unter Verwendung des Wizard SV Gel- und PCR-Reinigungssystems (Promega, Madison, USA) gereinigt und anschließend wie vom Hersteller empfohlen (Invitrogen, Carlsbad, USA) in pCR2.1-TOPO kloniert. Die resultierenden rekombinanten Plasmide wurden verwendet, um Escherichia coli TOP 10 Zellen. Insgesamt wurden 1271 Insert-tragende Plasmide aus zufällig ausgewählten . isoliert E coli Klone. Die Insertsequenzen wurden vom Göttinger Genomics Laboratory (Göttingen, Deutschland) bestimmt.

2.3. Analyse von 16S rRNA-Genen

Um die prokaryontische Gemeinschaftsstruktur zu beurteilen, wurden die abgerufenen 16S rRNA-Gensequenzen mit QIIME analysiert [23]. Die erhaltenen 16S-Gensequenzen wurden mit gap4 [24] editiert und zunächst mit Mallard [25], Bellerophon [26] und Chimera Check [27] auf das Vorhandensein chimärer Sequenzen überprüft. Die verbleibenden Sequenzen wurden unter Verwendung des UCLUST-Algorithmus [28] und der folgenden QIIME-Skripte geclustert: pick_otus.py und pick_rep_set.py. Die Sequenzen wurden in operationellen taxonomischen Einheiten (OTUs) mit 1, 3 und 20% genetischer Unähnlichkeit gruppiert.

Die phylogenetische Zusammensetzung der prokaryotischen Gemeinschaften in beiden Proben wurde mit dem QIIME-Skript Assign_taxonomy.py bestimmt. Es wurde ein BLAST-Alignment [29] gegen die neueste SILVA ARB-Datenbank [30] durchgeführt. Sequenzen wurden in Bezug auf die Taxonomie ihres besten Treffers in der ARB-Datenbank klassifiziert. Schließlich wurden OTU-Tabellen generiert. Rarefaction-Kurven, Shannon-Indizes [31] und Chao1-Indizes [32] wurden mit QIIME berechnet. Außerdem ist die maximale Anzahl von OTUs

wurde für jede Probe unter Verwendung der Michaelis-Menten-Fit-Alpha-Diversitätsmetriken, die im QIIME-Softwarepaket enthalten sind, geschätzt.

Eine Sequenz pro OTU (1% genetischer Abstand) wurde weiterhin für die Konstruktion phylogenetischer Bäume verwendet. Sequenzen wurden in die neueste SSU Ref SILVA-Datenbank des ARB-Programmpakets importiert [33]. Mehrere Sequenz-Alignments wurden manuell überprüft und durch den Einsatz des ARB-Editor-Tools verbessert. Phylogenetische Bäume wurden erstellt, indem der in ARB implementierte Maximum-Parsimony-Algorithmus verwendet wurde. Die Robustheit der erhaltenen Baumtopologien wurde durch Bootstrap-Analyse mit 100 Ähnlichkeiten bewertet.

2.4. Aufbau von metagenomischen Bibliotheken mit kleinen Inserts

Um das biochemische Potenzial auszuschöpfen, wurden metagenomische Small-Insert-Bibliotheken erzeugt. Aufgrund der geringen DNA-Wiederfindung wurde das Ausgangsmaterial für die Generierung dieser Bibliotheken durch multiple Verdrängungsamplifikation unter Verwendung des GenomiPhi V2 DNA Amplification Kit (GE Healthcare, München, Deutschland) erhalten. Um die Klonierungseffizienz zu verbessern, wurden hyperverzweigte Strukturen aufgelöst und die DNA in pCR-XL-TOPO (Invitrogen) inseriert, wie von Simon et al. [34]. Auf diese Weise wurden zwei metagenomische Bibliotheken erzeugt.

2.5. Screening auf hydrolytische Aktivität und Identifizierung entsprechender Gene

Die konstruierten metagenomischen Bibliotheken wurden unter Verwendung eines funktionsgesteuerten Ansatzes auf Gene gescreent, die lipolytische oder proteolytische Aktivität verleihen. Die erstellten Bibliotheken wurden verwendet, um E coli DH5α Zellen. Rekombinante Zellen wurden auf LB-Agarplatten ausplattiert, die entweder 1 % Tributyrin (lipolytische Aktivität) [35] oder 2 % Magermilch (proteolytische Aktivität) [36] enthielten. Die Platten wurden bei 37 °C für bis zu zwei Wochen inkubiert. Hydrolytische Aktivität wird durch Halobildung angezeigt. Um die Substratspezifität der Protease-produzierenden Klone zu bestimmen, wurde Magermilch durch 0,3% (w/v) Azocasein, Azoalbumin oder Elastin-Kongorot ersetzt. Insert-Sequenzen rekombinanter Plasmide aus positiven Klonen wurden vom Göttinger Genomics Laboratory bestimmt. Die gefundenen Insertsequenzen wurden mit Gap4 bearbeitet [24] und mutmaßliche ORFs wurden mit Artemis (Version 11.0) annotiert [37].

2.6. Klonierung von Genen, die lipolytische oder proteolytische Aktivität verleihen, in Expressionsvektoren und Reinigung der entsprechenden Genprodukte

Zur Enzymproduktion von lipolytischen Proteinen wurden identifizierte Gene gemäß dem Champion pET101 Directional TOPO Expression Kit (Invitrogen) in pET101-TOPO kloniert. Auf diese Weise können Sequenzen, die ein His . kodieren,6 Tag und ein vom Vektor bereitgestelltes V5-Epitop wurden an das 3'-Ende der kodierenden Regionen angefügt. Alternative Startcodons wurden durch ATG ersetzt. Escherichia coli BL21 Star (DE3) (Invitrogen) wurde als Wirt für die Enzymproduktion verwendet. Die Herstellung erfolgte wie vom Hersteller empfohlen. Anschließend wurden rekombinante Zellen durch Zentrifugation geerntet, mit Tris-Puffer (30 mM, pH 8,0) gewaschen und in 50 mmol L –1 Natriumphosphatpuffer mit 0,3 mol L –1 NaCl (pH 8,0) resuspendiert. Die Zellen wurden unter Verwendung einer French Press (1,38 × 10 8 Pa) aufgeschlossen. Anschließend wurde der Extrakt durch Zentrifugation bei 14.000 g und 4 °C für 45 Minuten geklärt. Der Überstand wurde als Quelle für lösliche Proteine ​​verwendet. Rekombinante Proteine ​​wurden unter Verwendung der vom Hersteller empfohlenen Protino Ni-TED 2000 gepackten Säulen (Macherey-Nagel, Düren, Deutschland) gereinigt. Proteinpräparate wurden unter Verwendung von Natriumphosphatpuffer (50 mM, pH 7,5) dialysiert, um restliches Imidazol zu entfernen. Die Proteinkonzentration in der gereinigten Probe wurde mit Roti-Quant (Carl Roth, Karlsruhe, Deutschland) wie vom Hersteller empfohlen bestimmt. Die Reinheit der Proteinpräparationen wurde mittels SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese nach Laemmli [38] analysiert.

Für die Proteinproduktion der mutmaßlichen Protease wird das entsprechende Gen (pepBW1) wurde unter Verwendung eines modifizierten Fusionsverfahrens in pBAD/Myc-His (Invitrogen) kloniert [39]. Das Gen wurde in zwei PCR-Reaktionen mit den folgenden zwei Sätzen von Primerpaaren amplifiziert, die synthetische Stellen (unterstrichen) für die Klonierung in den Vektor enthielten: Paar 1, 5'-CATGGTGTTCAATAAATATGTCTT-3′ und 5′-CTAGGGTAGACTTAACGC-3′ und Paar 2, 5′-GTGTTCAATAAATATGTCTTATT-3′ und 5′-CGCTAGGGTAGACTTAACGC-3′. Nach Mischen, Denaturieren und Hybridisieren werden vier verschiedene Hybridisierungsprodukte gebildet, von denen eines Überhänge enthält, die komplementär zum mit . verdauten Vektor sind Ncoich (Fermentas) und Bsp119I (Fermentas). Die Präligationsmischung (10 μL) enthalten 1 μL O-Puffer (Fermentas) und ca. 50 ng jedes PCR-Produkts. Um die geeigneten Überhänge für die Klonierung zu erzeugen, wurde das folgende Schema der thermischen Zyklen verwendet: Denaturierung bei 95 °C für 3 min, 4 Zyklen des Reannealings bei 65 °C für 2 min und Reannealing bei 25 °C für 15 min. Die Ligationsreaktionsmischung (20 μL) enthielt die Präligationsmischung, 1 μL von O-Puffer (Fermentas), 1 μL ATP (10 mM), 1 U T4-DNA-Ligase und 10 ng pBAD/Myc-His, verdaut mit NcoIch und Bsp119I. Die Reaktion wurde über Nacht bei 16°C inkubiert und durch Erhitzen auf 65°C für 10 min inaktiviert. Die resultierenden rekombinanten Plasmide wurden dann verwendet, um E coli Top 10 Zellen.

2.7. Charakterisierung der lipolytischen Aktivität

Die Bestimmung der Enzymspezifität gegen verschiedene Triacylglyceride wurde durch Wachstum bestimmt E coli BL21 (DE3), das die rekombinanten Plasmide auf LB-Agarplatten beherbergt, die Triacylglyceride mit unterschiedlicher Kettenlänge (C4 bis C18) enthalten. Die Platten wurden mit IPTG auf eine Endkonzentration von 0,1 mM ergänzt, um die Genexpression zu induzieren.

Für die quantitative Analyse, P-Nitrophenylester mit verschiedenen Kettenlängen wurden verwendet, wie von Rashamuse et al. [40]. Routinemäßige Esteraseaktivitätsassays wurden durchgeführt, indem die Freisetzung von . gemessen wurde P-Nitrophenol aus a P-Nitrophenyl (P-NP)-Ester bei 410 nm unter Verwendung eines Cary 100 UV-Vis-Spektrophotometers (Varian, Palo Alto, USA) mit einem Peltier-Temperaturregler. Sofern nicht anders beschrieben, wurde die Enzymaktivität bei 50°C in Tris-HCl (50 mmol L −1 pH 7,5) mit P-NP-Caprylat (1 mmol L −1 gelöst in 2-Propanol) als Substrat. P-NP-Caprylat wurde aufgrund seiner Stabilität bei hohen Temperaturen und alkalischen pH-Werten als Substrat im Standardassay verwendet. Die Enzymaktivität von EstBW2 wurde bestimmt mit P-NP-Butyrat als Enzym zeigte keine Aktivität mit den anderen getesteten Substraten. Daher wurden Temperatur- und pH-Abhängigkeit von EstBW2 nicht über 75°C und pH 8 gemessen. Alle Messungen wurden dreifach durchgeführt.

Um die Substratspezifität zu bestimmen, wurde die Enzymaktivität unter Standardtestbedingungen unter Verwendung der folgenden gemessen: P-NP-Ester verschiedener Kettenlängen: P-NP-Acetat (C2), P-NP-Butyrat (C4), P-NP-Caprylat (C8), P-NP-Caprat (C10), P-NP Laurat (C12) und P-NP-Palmitat (C16).

Die Temperaturabhängigkeit der Enzymaktivität wurde zwischen 20 und 95 °C unter Standardtestbedingungen bestimmt. Um Temperatureinflüsse auf den pH-Wert zu kompensieren, wurden Puffer auf Solltemperatur vorgewärmt und mit Tris-Puffer (50 mmol L –1 ) eingestellt. Die Thermostabilität wurde durch Inkubieren des Enzyms bei verschiedenen Temperaturen über verschiedene Zeiträume gemessen. Die Enzymaktivität wurde anschließend unter Standardtestbedingungen gemessen. Optimale pH-Werte für die Enzymaktivität wurden unter Standardtestbedingungen unter Verwendung verschiedener überlappender Pufferlösungen (50 mM) gemessen: Natriumacetatpuffer (pH 4 und 5), Natriumphosphatpuffer (pH 5, 6 und 7), Tris-HCl (pH 7, 8 und 9), CHES (pH 9 und 10) und CAPS (pH 10 und 11).

Die Wirkung verschiedener Detergenzien auf die Enzymaktivität wurde unter Standardtestbedingungen in Gegenwart von 1 mM AgNO . bestimmt3, 1 mM CaCl2, 1 mM CoCl2, 1 mM Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB), 1 mM CuCl2, 1 mM Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), 1 mM FeCl3, 1 mM KCl, 1 mM MgCl2, 1 mM MnCl2, 1 mM NaCl, 1 mM NiSO4, 1 mM Natriumdodecylsulfat (SDS), 1 mM ZnCl2, 0,01 % (v/v) Tween 80 oder 0,01 % (v/v) 2-Mercaptoethanol. Die Serinabhängigkeit der gewonnenen lipolytischen Enzyme wurde unter Standardtestbedingungen durch Inkubation in Gegenwart von 1 mM Phenylmethylsulfonylfluorid (PMSF) validiert. Darüber hinaus haben wir die Bedeutung der ermittelten Effekte auf die Enzymaktivität analysiert. Da die Enzymtests dreifach durchgeführt wurden, gingen wir davon aus, dass alle gemessenen Enzymaktivitäten normal verteilt waren. Die Varianzhomogenität wurde mit dem F-Test, und die Signifikanz der Detergenzwirkung wurde anschließend entweder mit dem Student's T-Test (homogene Varianzen) oder die Welchs T Test (heterogene Varianzen). Alle statistischen Analysen wurden in R [41].

2.8. Nukleotidsequenz-Zugangsnummern

Die 16S-rRNA-Gensequenzen wurden in der GenBank unter den Zugangsnummern HM149792–HM150618 hinterlegt. Nukleotidsequenzen der vier identifizierten Gene wurden in der GenBank unter den Hinterlegungsnummern HM063743 (plpBW1), HM063744 (estBW1), HM063745 (estBW2) und HM063746 (pepBW1) hinterlegt.

3. Ergebnisse

3.1. Probenahme und chemische Eigenschaften der untersuchten Sedimente

Aus zwei heißen Quellen in Kamtschatk wurden Sedimentproben entnommen. Die Quellen befanden sich in der Nähe des Mutnovsky-Vulkans (Mutnovsky-Probe) und in der Uzon-Caldera (Uzon-Probe), die eine thermoacidophile (70 °C, pH 3,5–4) und eine thermophile (81 °C, pH 7,2–7,4) Umgebung darstellen , bzw. Beide untersuchten Sedimente unterschieden sich chemisch voneinander (Tabelle 1). Die Mutnovsky-Probe enthielt höhere Konzentrationen von Al, Ca, Co, Cu, Fe, Pb und Zn als die Uzon-Probe. Für die Konzentrationen von As, B, Ba, K, Mn und Na wurde das Gegenteil aufgezeichnet. Die Konzentrationen von Cr, Mg, Ni, Sr, P, Ti und V sowie der Gesamtgehalt an organischem Kohlenstoff waren in beiden Proben nahezu identisch.

3.2. Isolierung von metagenomischer DNA und Konstruktion von metagenomischen Bibliotheken

Um die prokaryontische Diversität und das metabolische Potenzial durch metagenomische Ansätze zu beurteilen, wurde Umwelt-DNA aus beiden Proben extrahiert. Ungefähr 2,7 μAus beiden Proben wurden g DNA pro 10 g Sediment gewonnen. Nach Entfernung der restlichen Salze wurden archaeale und bakterielle 16S rRNA-Gene aus der gereinigten DNA amplifiziert. Die resultierenden PCR-Produkte wurden zur Erzeugung von 16S rRNA-Genbibliotheken verwendet. Aus diesen Bibliotheken wurden insgesamt 1271 Klone sequenziert. Nach qualitativer Filterung und Entfernung potenzieller chimärer Sequenzen wurden 1235 hochwertige 16S rRNA-Gensequenzen erhalten (536 für die Mutnovsky-Probe, 699 für die Uzon-Probe). Die DNA aus beiden Proben wurde auch verwendet, um metagenomische Bibliotheken zu konstruieren. Die Mutnovsky-Bibliothek umfasste ungefähr 479.000 Plasmide mit einer durchschnittlichen Insertgröße von 5,3 kb. Der Prozentsatz der Insert-tragenden Plasmide betrug 74%. Die Uzon-Bibliothek bestand aus ungefähr 117.000 Plasmiden mit einer durchschnittlichen Insertgröße von 4 kb. Der Prozentsatz der Insert-tragenden Plasmide betrug 85%. Zusammenfassend enthielten die erzeugten metagenomischen Bibliotheken mit kleinem Insert ungefähr 2,27 Gbp klonierte Umwelt-DNA.

3.3. Archäische Gemeinschaftsstrukturen

Wir konnten 265 16S rRNA-Gensequenzen beider Proben der Domäne zuordnen Archaeen. Die klassifizierten Sequenzen wurden vier verschiedenen Archaea-Stämmen zugeordnet (Abbildung 1). Die Thaumarchaeota war der häufigste Archaeenstamm in beiden Proben (57 % bzw. 68 % aller Sequenzen). Die meisten Sequenzen wurden der Miscellaneous Crenarchaeotic Group zugeordnet, die heute zu den kürzlich vorgeschlagenen gehören Thaumarchaeota (37%). Eine weitere häufig vorkommende thaumarchaeotische Gruppe war die Terrestrial Hot Spring Group (24,7%). Die Mehrheit der verbleibenden Sequenzen der Mutnovsky-Probe gehörten zu unkultivierten Mitgliedern der Euryarchaeota (34,7%), die nur in dieser Stichprobe nachgewiesen wurden. Die Mehrheit der verbleibenden Uzon-Sequenzen gehörte zu den Crearchaeota (32,1%). Sequenzen wurden bekannten Gattungen zugeordnet, wie z Sulfophobococcus (12.1%), Thermofolie (6.8%), Ignisphaera (5,3%) und zu Desulfurococcus kamchatkensis (4,2%). Der Stamm der Archaeen Korarchaeota wurde nur in der Uzon-Probe (1 Sequenz) identifiziert.


3.4. Vielfalt und Artenreichtum archaealer Gemeinschaften

Um die Vielfalt und den Reichtum der Archaeen zu bestimmen, wurden Verdünnungsanalysen mit QIIME durchgeführt. Die beobachteten OTU-Zahlen in der Mutnovsky-Probe und der Uzon-Probe betrugen 33 und 13 (1% genetische Distanz), 25 und 11 (3% genetische Distanz) bzw. 7 und 5 (20% genetische Distanz) (Tabelle 2). Die maximal zu erwartende Anzahl von Clustern für beide Stichproben wurde basierend auf den Michaelis-Menten_fit-Metriken bestimmt. Im Durchschnitt wurden mehr als 90% der gesamten Archaeengemeinschaft von den Vermessungsarbeiten erfasst. Shannon-Indizes der Mutnovsky- und Uzon-Stichprobe betrugen 1,83 und 2,96 (1% genetische Distanz), 2,70 und 1,83 (3% genetische Distanz) bzw. 0,86 und 1,87 (20% genetische Distanz). Diese deuteten auf eine geringe Archaeendiversität in den untersuchten Proben hin. Der Vergleich der Verdünnungsanalysen mit der Anzahl der OTUs, die durch den Chao1-Richness Estimator bestimmt wurden, ergab, dass die Verdünnungskurven bei 1 und 3% genetischem Abstand fast gesättigt waren (Abbildung 4). Somit wurde der Großteil des geschätzten Reichtums durch die Vermessungsarbeit wiederhergestellt (Tabelle 2).

) wurde unter Verwendung der Michaelis-Menten-Fit-Diversity-Metriken berechnet, die im QIIME-Paket implementiert sind. Die Abdeckung wurde bestimmt, indem die beobachtete Anzahl von OTUs durch geteilt wurde

3.5. Bakterielle Gemeinschaftsstrukturen

Wir konnten 271 Sequenzen für Mutnovsky und 434 Sequenzen für Uzon-Probe der Domäne zuordnen Bakterien. Die klassifizierten Sequenzen wurden in der Mutnovsky-Probe bzw. der Uzon-Probe drei bzw. acht verschiedenen Bakterienstämmen und Kandidatenteilungen zugeordnet (Abbildung 1). Die Thermotogae war der häufigste Bakterienstamm in der Mutnovsky-Probe (54%). Dieser Stamm fehlte in der Uzon-Probe fast (1%). Interessanterweise wurden alle Sequenzen in der Mutnovsky-Probe weiter mit unkultivierten Mitgliedern der Gattung in Verbindung gebracht Kosmotoga. Diese Gattung fehlte in der Uzon Caldera völlig. Die Proteobakterien waren der zweithäufigste Stamm in der Mutnovsky-Probe (39%) und der häufigste in der Uzon-Caldera-Probe (62%). Die meisten dieser Sequenzen wurden weiter zugeordnet Acidithiobacillus caldus ATCC 51756 (28%) in der Mutnovsky-Stichprobe und verschiedenen Gattungen innerhalb der Enterobakterien (41%) in der Uzon-Probe. Die Aquificae waren der dritthäufigste Stamm in der Uzon-Probe (13,4%). Die entsprechenden Sequenzen wurden zugeordnet Sulfurihydrogenibium rodmanii (9,7%) und Thermosulfidibacter takaii (2,8%) und unkultivierte Mitglieder der Aquificae. Ein weiterer reichlich vorhandener Bakterienstamm war Thermodesulfobakterien (12,9%). Alle Sequenzen gehörten zur Gattung Caldimikrobium. Die restlichen Sequenzen wurden an Dictyoglomus thermophilum und Dictyoglomus turgidum des Diktyoglomi (6,5%), die Kandidatenabteilung OP9 (2,1%), die Firmen (0,9%) und die Kandidatenabteilung KB1 (0,2%).

3.6. Vielfalt und Artenreichtum von Bakteriengemeinschaften

Die beobachteten OTU-Zahlen in beiden heißen Quellen betrugen 17 und 50 (1% genetische Distanz), 12 und 42 (3% genetische Distanz) und 10 und 11 (20% genetische Distanz) in der Mutnovsky-Probe bzw. der Uzon-Probe ( Tabelle 2). Die Analyse der maximal zu erwartenden Anzahl von Clustern zeigte, dass mehr als 94% der gesamten Bakteriengemeinschaft durch die Vermessungsarbeit gewonnen wurden. Dementsprechend ergab ein Vergleich der Verdünnungsanalysen mit der Anzahl der OTUs, die durch den Chao1-Richness Estimator bestimmt wurden, dass die Verdünnungskurven bei 1%, 3% und 20% genetischem Abstand fast gesättigt waren (Tabelle 2, Abbildung 4).

3.7. Screening von metagenomischen Bibliotheken

Die beiden generierten metagenomischen Bibliotheken wurden in einem funktionsbasierten Screening verwendet, um neue lipolytische und proteolytische Enzyme zu identifizieren. Drei neue Gene, die für lipolytische Enzyme kodieren (plpBW1, estBW1, und estBW2) und ein Gen, das für ein proteolytisches Enzym kodiert (pepBW1) wurden während des Screenings der aus der Uzon-Probe abgeleiteten metagenomischen Bibliothek identifiziert. In der aus der Mutnovsky-Probe abgeleiteten metagenomischen Bibliothek wurden keine hydrolytischen Enzyme identifiziert.

Die nächsten Verwandten aller identifizierten Proteinsequenzen stammten von bekannten Thermophilen. Sie ähnelten nicht charakterisierten mutmaßlichen Genprodukten, die von abgeleitet wurden Desulfurococcus kamchatkensis (PepBW1), Sulurihydrogenibium Azorense (PlpBW1 und EstBW2) und Thermobaculum terrenum (EstBW1) (Tabelle 3).

PlpBW1 wurde den Patatin-ähnlichen Proteinen (PLPs) zugeordnet. Für diesen Enzymtyp sind vier konservierte Domänen beschrieben [42], die alle innerhalb der Aminosäuresequenz identifiziert werden konnten (Daten nicht gezeigt). Interessanterweise besitzen PLPs keine katalytische Triade. Die lipolytische Aktivität wird durch eine katalytische Dyade aus einem Serinrest und einem Aspartatrest übertragen [42]. EstBW1 und EstBW2 wurden nach dem Klassifikationssystem von Arpigny und Jaeger [43] der Familie V der lipolytischen Enzyme zugeordnet. PepBW1 wurde mithilfe der MEROPS-Datenbank klassifiziert [44]. Sie gehörte der Subtilisin-Familie (Familie S8) an. Interessanterweise ist die pepBW1 Gensequenz war fast identisch mit der eines mutmaßlichen Gens, das für eine Serinpeptidase von . kodiert Desulfurococcus kamchatkiensis (Tisch 3) Desulfurococcus kamchatkiensis gehört zu den Crearchaeota und wurde auch aus einer Thermalquelle in der Uzon Caldera isoliert [45]. Außerdem wurde die 16S-rRNA-Gensequenz dieser Spezies in unserer 16S-Analyse der Uzon-Probe gefunden.

3.8. Charakterisierung rekombinanter Enzyme

Um alle rekombinanten Proteine ​​zu charakterisieren, wurden die Gene, die lipolytische und proteolytische Aktivität verleihen, in Expressionsvektoren kloniert. Die rekombinante E coli Stamm mit PepBW1 wurde auf verschiedene Proteine ​​getestet und zeigte proteolytische Aktivität mit Magermilch und Elastin-Kongorot, jedoch nicht mit Azoalbumin oder Azocasein.

Die Aktivitäten der rekombinanten lipolytischen Proteine ​​wurden gegenüber verschiedenen Triacylglyceriden getestet. Alle Proteine ​​zeigten Aktivität mit Tributyrin als Substrat. Darüber hinaus zeigte PlpBW1 Aktivität mit langkettigen Triacylglyceriden bis hin zu Trimyristin (C14). Hydrolyse verschiedener P-Nitrophenylester wurde verwendet, um die Substratspezifität weiter zu analysieren (Abbildung 5(a)). PlpBW1 und EstBW1 zeigten die höchste Aktivität mit P-NP-Acetat und P-NP-Butyrat bzw. Beide Enzyme zeigen Aktivität gegenüber allen getesteten P-NP-Ester, außer P-NP-Palmitat. Die Aktivität nahm mit zunehmender Kettenlänge ab. Im Gegensatz dazu zeigte EstBW2 nur Aktivität gegenüber P-NP-Butyrat. Spezifische Aktivitäten unter Standard-Assaybedingungen mit dem optimalen Substrat waren

U/mg (PlpBW1), U/mg (EstBW1) und

U/mg (EstBW2). Basierend auf den Ergebnissen handelt es sich bei allen drei lipolytischen Enzymen höchstwahrscheinlich um Carboxylesterasen und nicht um Lipasen.

Alle lipolytischen Enzyme waren über einen weiten Temperaturbereich aktiv. PlpBW1, EstBW1 und EstBW2 behielten bei 60 bis 90 °C, 65 bis 95 °C bzw. 40 bis 75 °C eine Aktivität von mindestens 50 % bei (Abbildung 5(b)). Maximale Aktivitäten wurden für PlpBW1 bei 85 °C, für EstBW1 bei 90 °C und für EstBW2 bei 65 °C aufgezeichnet. Wir haben außerdem die Stabilität der drei lipolytischen Enzyme in Bezug auf unterschiedliche Temperaturen bestimmt. Die Halbwertszeiten von PlpBW1 betrugen 45 min bei 70 °C, 15 min bei 80 °C und 5 min bei 90 °C. EstBW1 zeigte Halbwertszeiten von 5 h bei 70 °C, 2,5 h bei 80 °C und eine bemerkenswerte Halbwertszeit von 15 min bei 90 °C. EstBW2 war bei 90 °C weniger stabil (7 min Halbwertszeit), aber die Aktivität wurde durch 5 h Inkubation bei 70 °C und 80 °C fast nicht beeinflusst (Daten nicht gezeigt).

Der pH-Effekt auf die Enzymaktivität wurde bei pH-Werten im Bereich von 4 bis 11 gemessen (Fig. 5(c)). Alle Enzyme zeigten eine hohe Aktivität bei neutralen oder alkalischen pH-Werten. Maximale Aktivitäten wurden bei pH 10 (PlpBW1) und pH 7 (EstBW1 und EstBW2) bestimmt.

Die Zugabe von EDTA, KCl oder NaCl zum Reaktionsgemisch hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Enzymaktivität (

), wohingegen alle anderen getesteten Detergenzien eine Wirkung auf die Aktivität mindestens eines der gewonnenen Enzyme zeigten (Tabelle 4). CTAB, Tween 80 und ZnCl2 beeinflusste die Aktivitäten aller drei Enzyme signifikant

. PlpBW1 zeigte in Gegenwart von CTAB eine mehr als 2,5-fach höhere Aktivität, während EstBW1 und EstBW2 einen Aktivitätsverlust zeigten. Tween 80 erhöhte die Enzymaktivität von PlpBW1 und EstBW2, jedoch nicht die von EstBW1. Die Zugabe von ZnCl2 verringerte die Aktivität aller drei rekombinanten Enzyme. Die lipolytische Aktivität von EstBW1 und EstBW2 wurde durch das Phenylmethylsulfonylfluorid vollständig gehemmt, was auf das Vorhandensein eines Serinrestes am aktiven Zentrum beider Enzyme hinweist. Interessanterweise wurde die Aktivität von PlpBW1 durch PMSF nicht beeinflusst.


Diskussion

Der SM1 Euryarchaeon ist ein einzigartiger Organismus, der viele Merkmale aufweist, die bei anderen Mikroorganismen nicht beobachtet werden. Seine eindeutige Position innerhalb des phylogenetischen Stammbaums (Rudolph et al., 2004), die Fähigkeit zur Biofilmbildung und seine Dominanz gegenüber assoziierten Bakterien sowie der Ursprung der Biofilme im Untergrund sulfidischer Quellen rechtfertigten eine detaillierte Analyse der Ultrastruktur . In dieser Mitteilung haben wir uns auf die Biofilme konzentriert, die in aufsteigenden Gewässern sulfidischer Quellen im SM gefunden werden. Neben der Entdeckung der Hami (Moissl et al., 2005) liefert diese aktuelle Studie die ersten detaillierten ultrastrukturellen Analysen der SM-Biofilmpopulation. Das meiste Wissen über die euryarchaealen SM1-Biofilme wurde jedoch bisher aus der MSI-Umgebung gewonnen (Henneberger et al., 2006 Probst et al., 2013, 2014), einschließlich vorläufiger ultrastruktureller Erkenntnisse (Henneberger et al., 2006).

Die Feinstruktur des archaealen Biofilms schien der beschriebenen bakteriellen Biofilmarchitektur (Sutherland, 2001) ähnlich zu sein, bei der die mikrobiellen Zellen typischerweise in einer Matrix aus EPS eingeschlossen sind (Costerton et al., 1995). Im Allgemeinen besteht diese Matrix aus DNA, Proteinen und Polysacchariden und bildet eine schleimige Schicht um die Zellen (Wingender et al., 1999). Daten zur EPS-Zusammensetzung des SM SM1-Biofilms liegen noch nicht vor. Im hoch hydratisierten MSI-Biofilm-EPS wurde jedoch keine DNA nachgewiesen, und die Proteinkomponente wurde auf das Vorhandensein von Hami zurückgeführt (Henneberger et al., 2006). Bemerkenswert war, dass die Menge an EPS variabel war: Einige Zellen waren vollständig von EPS bedeckt, während andere keine nachweisbare Matrix aufwiesen.

Im bakteriellen Bereich ist die Bildung von Biofilmen sehr verbreitet und kann z. B. in medizinischen Umgebungen (Donlan, 2001) oder Industrieanlagen (Mattila-Sandholm und Wirtanen, 1992) schwerwiegende Probleme verursachen. Andererseits sind Biofilme für die Nahrungsmittelproduktion oder die Abwasserbehandlung von großem Nutzen (Park et al., 1990 Nicolella et al., 2000). EPS vermittelt im Allgemeinen die Oberflächenhaftung und bildet einen Schutzschild gegen schädliche chemische Verbindungen (Bridier et al., 2011). Neben anderen wichtigen Vorteilen fängt die Biofilmmatrix ausgeschiedene Enzyme in unmittelbarer Nähe der Zelle ein (𠇎xternal Verdausystem” Flemming und Wingender, 2010). In bakteriellen Biofilmen wurden häufig Wasserkanäle beobachtet, die die Verteilung von Nährstoffen und Signalmolekülen sowie den Abtransport hemmender Stoffwechselprodukte unterstützen können (Costerton et al., 1994). Die Zellen innerhalb der SM-Biofilme sind in einem auffallend regelmäßigen Muster in einem geräumigen, aber starken und sehr klebrigen Netzwerk organisiert, was auf (1) einen schnell fließenden Strom in seinem natürlichen Biotop im Untergrund, (2) die Notwendigkeit der Anhaftung an eine Oberfläche und (3) ein Erfordernis für einen permanenten Wasserfluss durch den Biofilm. Auffallend ist, dass im Vergleich zu natürlichen, nicht-medizinischen bakteriellen Biofilmen die Reinheit und Dominanz einer Spezies außergewöhnlich ist und in beiden bisher untersuchten Biofilmen beobachtet wurde (Probst et al., 2014).

Im Zuge dieser Analyse wurden zahlreiche Proben aus dem sulfidischen Quellmilieu entnommen, kühl transportiert und schnellstmöglich für ultrastrukturelle Analysen aufbereitet. Aufgrund der unmittelbaren Nähe der beiden Probenahmestellen zum Regensburger Labor war die Transportzeit minimal (ρ h). Aufgrund der derzeit nicht beurteilbaren Herkunft der Biofilme im tieferen Untergrund der sulfidischen Quellen liegen uns jedoch keine Informationen über das Alter oder den Zustand der mit dem Quellwasser aufgequollenen Biofilmstücke vor. In einer früheren Studie wurde festgestellt, dass die Lebensfähigkeit der Zellen außergewöhnlich hoch ist (bis zu 90%) und die Zellen eine ausgezeichnete FISH (Fluoreszenz vor Ort Hybridisierung) Signale aufgrund des hohen Gehalts an Ribosomen (Moissl et al., 2003), die Hinweise auf einen physiologisch gesunden Zustand der Archaeenzellen sind. Obwohl Vorkehrungen getroffen wurden, um Präparationsartefakte zu vermeiden, die durch Probenahme oder nachträgliche Vorbereitung für die Elektronenmikroskopie verursacht werden, können Veränderungen und Schäden nicht vollständig vermieden werden. Dies könnte durch ein sofortiges Einfrieren der Proben vor Ort z. B. für kryo-elektronentomographische Analysen überwunden werden. Diese Technik würde eine detaillierte Untersuchung der Zellteilungsmaschinerie, der Hami-Verankerung und des Zwei-Membran-Systems selbst ermöglichen und ist daher ein wünschenswertes Ziel für nachfolgende Studien.

Alle elektronenmikroskopisch analysierten Zellen trugen etwa 150 Hami auf ihrer Oberfläche mit einer durchschnittlichen Länge von 1,3 μm. Dies liegt innerhalb des gemeldeten Längenbereichs von Pili auf der Oberfläche von Escherichia coli (1.0𠄲.0 μm Russell und Orndorff, 1992), die normalerweise 100� Pili trägt (Neidhardt et al., 1990). Offensichtlich eignen sich die einzigartigen Hami gut für die Bildung eines solchen Biofilms, da sie für die Zell-Zell- und Zelloberflächen-Anheftung verantwortlich sind. Darüber hinaus scheinen die Hami und insbesondere die Stachelregion das regelmäßige Abstandsmuster zu erleichtern, indem sie Abstandshalter zwischen den Zellen bilden (Moissl et al., 2005). Bemerkenswerterweise waren die SM-Biofilmzellen signifikant kleiner als die der MSI-Biofilme (0,60 μm vs. 0,72 μm Probst et al., 2014). Basierend auf SEM. die Abstände der SM-Zellen zueinander betrugen 1,3 μm (im Durchschnitt), was in starkem Kontrast zu den konfokalen Laserscanning-Mikroskopiedaten der MSI-Population steht (4 μm Abstand). Es ist derzeit nicht bekannt, ob dieser Unterschied auf stammspezifischen Eigenschaften oder auf einer methodenspezifischen Aufbereitung beruht.

An diesem Punkt der Forschung bleiben zusätzliche Funktionen der Hami neben der Anhaftung an Oberflächen spekulativ. Die energetischen Kosten der Hami-Synthese erscheinen höher als die der Herstellung einfacher, filamentöser Pili (die auch die Oberflächenadhäsion vermitteln könnten), sodass zusätzliche Aufgaben in Betracht gezogen werden könnten. Somit könnte Hami an der Zellmotilität beteiligt sein, wie sie beispielsweise durch einige bakterielle Typ-IV-Pili vermittelt wird (Mattick, 2002, Ayers et al., 2010). Diese können zurückziehbar sein und ermöglichen so den Bakterienzellen, sich auf Oberflächen zu bewegen (“twitching Motilität,” Semmler et al., 1999 Maier, 2005). Obwohl für das SM1 Euryarchaeon bisher keine Motilität auf einer Oberfläche beobachtet wurde, könnten die Zellen die Anheftung und den Zell-Zell-Abstand durch gezielten Auf- und Abbau der Filamente kontrollieren und regulieren. Eine andere Funktion könnte der Elektronentransfer sein, wie er bei Bakterien beobachtet wurde Geobakterien Spezies, die Zell-Oberflächen- und Zell-Zell-Interaktionen ermöglichen könnten (Reguera et al., 2005). Bemerkenswert ist, dass das SM1-Euryarchaeon Kontakt zu Bakterien eines bestimmten Morphotyps sucht: Filament-bildende, stäbchenförmige Bakterienzellen werden häufig von Hami umklammert und manchmal sogar vollständig von den Oberflächenanhangsgebilden umhüllt (siehe auch Probst et al., 2014) . Diese Beobachtung könnte auf eine spezifische Interaktion zwischen den Arten hinweisen (z. B. Näther et al., 2006 Fröls et al., 2008 Ajon et al., 2011 Bellack et al., 2011 Jarrell et al., 2011), bleibt aber bestehen an dieser Stelle spekulativ.

Das SM1 Euryarchaeon besitzt zwei Membranen, was für Archaeen selten beschrieben wurde. Eine typische archaeale Zellwand besteht aus einer einzelnen Membran und einer daran befestigten äußeren proteinartigen Hülle (der S-Schicht), deren kristallines Muster als Marker für bestimmte Gattungen und Gruppen von Archaeen verwendet werden kann (König et al., 2007 Rachel , 2010). Es wurde vermutet, dass die S-Schicht die älteste Zellwandstruktur darstellt (Albers und Meyer, 2011), da nur wenige Archaeengruppen, wie mehrere Methanogene, Mitglieder der kürzlich vorgeschlagenen Methanomassilikokken Spezies [ehemals klassifiziert als Thermoplasmatale, die siebte Ordnung der Methanogene (Iino et al., 2012 Borrel et al., 2013)] und Ignicoccus Arten fehlt diese Proteinschicht. Letztere besitzt zwei Membranen, wobei die äußere Zellmembran (OCM) das H . beherbergt2:Schwefel-Oxidoreduktase sowie die ATP-Synthase und scheint daher energetisiert zu werden (Küper et al., 2010, siehe ergänzende Abbildung S1). Ignicoccus hospitalis in direktem physischen Kontakt mit seinem Ektosymbionten/Ektoparasiten steht Nanoarchaeum equitans, das mehrere Zellbestandteile von seinem Wirt bezieht, um seine eigenen biosynthetischen Mängel auszugleichen. Das nanoskalige Archaeon interagiert mit der OCM des Wirts und erleichtert den Transport von Aminosäuren, Lipiden und —obwohl noch nicht experimentell nachgewiesenen𠅊TP-Molekülen und Cofaktoren in einem noch unbekannten Prozess (Huber et al., 2012). Die einzigartige Zellarchitektur aller Ignicoccus Arten (Rachel et al., 2002 Junglas et al., 2008 Huber et al., 2012) in Kombination mit den energetisierten OCM-Grenzen Ignicoccus eindeutig aus allen bekannten prokaryotischen Zellhüllen. Bis heute ist nicht bekannt, ob die äußeren Membranen der Euryarchaeota Methanomassilicoccus oder SM1 werden erregt. Dies bleibt auch für die ultrakleinen ARMAN-Zellen unbekannt, deren Ultrastruktur als eine innere und OCM anstelle einer archaetypischen Zellwand interpretiert wurde (Comolli et al., 2009 Baker et al., 2010). Abgesehen von der Lipidzusammensetzung ähneln diese Membranen entfernt den Abmessungen und dem Aussehen bakterieller gramnegativer Zellwände. Es ist nicht bekannt, ob eine solche Zellwandarchitektur eher ein allgemeines Merkmal vieler Archaeen ist und bisher nicht als solche erkannt wurde oder eine Ausnahme innerhalb dieses Lebensbereichs darstellt.

Bemerkenswert ist, dass alle Archaeen, die eine Doppelmembran-basierte Zellwand besitzen, in enger Interaktion mit anderen Archaeen, Bakterien oder ihrem eukaryontischen Wirt stehen. Bakterien, die an syntrophischen Partnerschaften teilnehmen, sind oft mit einzigartigen multiplen Membrankomplexen ausgestattet (Orphan, 2009), und daher könnte eine positive Wirkung auf solche Wechselwirkungen aus mehreren Gründen ins Auge gefasst werden: (1) Eine äußere Membran ist eine geeignete Oberfläche für Verankerungsproteine, Lipide und Kohlenhydrate, die als Kontaktstellen für Interaktionen dienen könnten (Mashburn-Warren et al., 2008). Im Gegensatz zu S-Schichten kann die Membranarchitektur intern verändert und reguliert werden, was eine flexible Reaktion auf Umweltveränderungen ermöglicht. Innerhalb des SM1 Euryarchaeon verankert die Doppelmembran auch die Hami, die die Hauptkontaktstelle der Zelle zu biotischen und abiotischen Oberflächen darstellen. (2) Das überspannte Periplasma bietet zusätzlichen Raum für Stoffwechselprodukte, Chemosensoren, Signalkaskaden, Speicherverbindungen und andere Moleküle, die möglicherweise an mikrobiellen Interaktionen beteiligt sind (Davidson et al., 1992 Wadhams und Armitage, 2004). Zusätzlich bieten zwei Kompartimente die Möglichkeit, Gradienten zu erzeugen und ermöglichen eine Kompartimentierung sogar innerhalb einer einzigen prokaryontischen Zelle.

Der Fund einer zunehmenden Zahl von Archaeen mit Doppelmembran-Zellwänden könnte dieses Merkmal als allgemeines Merkmal eines Vorgängerarchaeons vermuten lassen und stellt die S-Schicht als (vorgeschlagenen) alten Zellwandtyp für Archaeen in Frage. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Probenvorbereitung und die klare Visualisierung der ungestörten Zellwand eine Herausforderung darstellen und in den meisten Fällen eine sorgfältige Interpretation der erhaltenen Daten beinhalten müssen. Die Frage, ob die Doppelmembran ein allgemeines Merkmal von Archaeen ist, unterstreicht die Notwendigkeit detaillierterer ultrastruktureller Analysen von kultivierten und nicht kultivierten Archaeen, fordert aber auch die Gemeinschaft auf, die vorgeschlagenen Modelle für die Zellteilung der Archaeen und die Bildung von Zelloberflächenanhängen zu überdenken. Letzteres beinhaltet die Beteiligung anderer (neuer?) Translokationsmaschinen für Zelloberflächenmoleküle, einschließlich des Transfers über zwei Membranen und das Periplasma. Insgesamt wird erneut deutlich, dass die Archaeendomäne in Struktur, Organisation und Funktion nicht bescheiden ist. Je mehr wir über diese Gruppe von Mikroorganismen erfahren, desto mehr erkennen wir die ausgeklügelte, komplexe und clevere Lebensweise der Archaeen.

Interessenkonflikt-Erklärung

Die Autoren erklären, dass die Forschung ohne kommerzielle oder finanzielle Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.


Akademischer Kalender 2021-2022

Biologie ist die wissenschaftliche Erforschung der Lebewesen: ihrer Form, ihrer Funktion, ihrer Herkunft und ihres Verhaltens.Das Studium der Biologie kann ein wichtiger Teil einer liberalen Ausbildung sein, denn um es gut zu verstehen, erfordert es Kenntnisse in Chemie, Physik, Mathematik und Naturgeschichte, um es gut zu beschreiben, erfordert die Beherrschung der Sprache und die Fähigkeit, Beobachtungen visuell darzustellen, um es zu schätzen ein Bewusstsein für die menschliche Natur in Vergangenheit und Gegenwart und das Zusammenspiel zwischen Menschen und anderen lebenden Organismen und ihrer gemeinsamen Umwelt. Seit dreitausend Jahren hat sich diese Disziplin entwickelt, um Lebewesen mit Hilfe der Heil-, Garten- und Lebenskunst zu beschreiben. Heute strotzt es nur so vor spannenden neuen Erkenntnissen und Entdeckungen, so dass weise Menschen es immer noch mit Staunen lesen oder ihm mit Freude nachgehen.

In dieser Abteilung werden drei Dinge versucht: allen Studierenden ein Verständnis für den Umfang, die Techniken und die allgemeinen Prinzipien zu vermitteln, die der Biologie zugrunde liegen, um nach Möglichkeit zum selbstständigen Studium und zum Selbstlernen zu ermutigen, um ernsthaft an einem weiterführenden Studium interessierten Studierenden die Möglichkeit zu geben, sich selbst zu erkunden die Bereiche von besonderem Interesse für Fakultäten, die sich hauptsächlich mit den Bereichen Ökologie und Physiologie befassen.

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Diskussion

Jüngste Studien an Protozoen-Parasiten wie Plasmodium [23], Toxoplasma [54], Trypanosoma [25], und Leishmanien [18] heben die Rolle von Alba-Domänenproteinen bei der Genregulation an der Schnittstelle zwischen mRNA-Stabilität und Translationsinitiation hervor. In unserer vorherigen Arbeit haben wir gezeigt, dass LiAlba3 trägt zur Stabilisierung von delta-amastin Transkripte, insbesondere im Amastigoten-Stadium, was auf unterschiedliche Rollen des Proteins während des Lebenszyklus des Parasiten schließen lässt [18]. Hier konzentrierten wir uns auf die molekulare und zelluläre Charakterisierung von Alba-Domänen-Proteinen in Leishmanien. Wir identifizierten Ähnlichkeiten, aber auch wichtige Unterschiede zwischen Alba-Proteinmitgliedern in parasitären Protozoen. Im Kontrast zu Trypanosoma Spezies, die vier Alba-Domänen-Proteine ​​besitzen, Leishmanien Arten haben nur zwei Alba-Proteine, die für die Rpp20- bzw. die Rpp25-ähnliche eukaryotische Untergruppe repräsentativ sind. Pulldown-Experimente mit Epitop-Tagged LiAlba-Proteine, die an die Identifizierung von MS/MS-Peptiden gekoppelt waren, zeigten Wechselwirkungen zwischen LiAlba1 und LiAlba3, sondern auch deren Assoziation mit Komponenten der Translationsmaschinerie, wie ribosomalen Proteinen der 40S- und 60S-Untereinheiten und allen drei Poly(A)-bindenden Proteinen. Diese Wechselwirkungen und die Anreicherung von Alba-Proteinen in den ribosomalen Untereinheitsfraktionen deuten auf eine Rolle dieser Proteine ​​bei der Translationsinitiation hin, wie auch für T. brucei [25]. Alba-Proteine ​​wurden zuvor als Komponenten eines translationsstillen Komplexes beschrieben, der stadienregulierte mRNAs in enthält Plasmodium [23]. Hier zeigen wir, dass Alba-Domänen-Proteine ​​unter Stress in ribosomalen Untereinheiten stark angereichert sind, wo die globale Translation drastisch reduziert ist, was auch auf eine mögliche Rolle dieser Proteine ​​bei der translationalen Repression hindeutet.

Unsere Immunfluoreszenzstudien haben gezeigt, dass beide LiAlba-Proteine ​​kolokalisieren hauptsächlich im Zytoplasma von Promastigoten- und Amastigoten-Lebensstadien. Bei der Amastigoten-Differenzierung translozieren Alba-Proteine ​​jedoch vom Zytoplasma in den Nukleolus und das Flagellum. Zusätzlich zu Immunfluoreszenzstudien wurde eine Flagellenlokalisierung von Alba-Proteinen unter Verwendung von Flagellum-Reinigungsstrategien vorgeschlagen. Ein Hitzeschock von 25ଌ bis 37ଌ, von dem bekannt ist, dass er die Amastigotendifferenzierung auslöst [4], ist für die Alba-Proteintranslokation ausreichend und notwendig. Die flagellare und nukleoläre Lokalisation von Alba-Proteinen ist vorübergehend, da sie nach Abschluss des Differenzierungsprozesses wieder im Zytoplasma gefunden werden, was darauf hindeutet, dass das Pendeln von Alba-Proteinen ein regulierter Prozess ist. In diesem Untersuchungsstadium ist nicht klar, ob die Lokalisierung von Alba-Proteinen im Nukleolus und dem Flagellum das Ergebnis unabhängiger oder koordinierter Ereignisse ist. Die unterschiedliche Lokalisation von Alba-Proteinen wurde zuvor bei anderen Protozoen-Parasiten beschrieben. Zum Beispiel in intrazellulären Formen von T. gondii, TgAlba-Proteine ​​sind hauptsächlich zytoplasmatisch, reichern sich jedoch im Zellkern und in perinukleären Flecken extrazellulärer Parasiten an [54]. In T. brucei Blutkreislaufformen, die TbAlba-Proteine ​​wurden als Teil des Flagellum-spezifischen Matrix-Proteoms identifiziert [74]. In T. brucei prozyklisch, die vier TbAlba sind zytoplasmatisch [25], aber bei Hungerstress TbAlba3 und TbAlba4 kolokalisieren mit dem RNA-wechselwirkenden Protein DHH1 in Granula [26]. Wir haben in Immunpräzipitationsstudien keine Wechselwirkungen von Alba-Proteinen mit DHH1 nachgewiesen, aber wir fanden, dass das Rap55-Homolog, ein bekannter Partner von DHH1, mit Alba-Proteinen in . interagiert Leishmanien.

Die Translokation von Alba-Proteinen aus dem Zytoplasma sowohl in den Nukleolus als auch in das Flagellum während der Amastigotendifferenzierung ist von besonderem Interesse. Bei Eukaryoten ist die primäre Funktion des Nukleolus die Biogenese von Ribosomen-Untereinheiten, einschließlich der rRNA-Reifung (Übersicht in [75]). Der Nukleolus wurde jedoch auch an der Stressreaktion beteiligt (Übersicht in [67]). In L. mexikanisch und T. cruzi, aber nicht in T. brucei, Hitzestress oder Transkriptionsstress bei der Behandlung mit Actinomycin D fördert die nukleoläre Akkumulation von poly(A) + mRNAs und verschiedenen RNA-bindenden Proteinen wie TcSR62 (mRNA-Stabilität und -Prozessierung), TcPABP1 und LmexPABP2, TcPTB2 (Polypyrimidin-Trakt-Bindungsprotein), TcSF3b155 (Spleißfaktor) und TcFIP1 (an der Polyadenylierung beteiligt) [65, 76]. Im Fall von L. infantum, Die Behandlung mit Actinomycin D führte zu keiner Akkumulation von LiAlba-Proteine ​​im Nukleolus (Daten nicht gezeigt). Da Alba-Domänen-Proteine ​​Bestandteil der RNase P/MRP in höheren Eukaryoten sind, LiAlba könnte eine Rolle bei der tRNA- oder rRNA-Prozessierung während der Differenzierung spielen. Globale Übersetzung wird bei Stress und Differenzierung herunterreguliert Leishmanien [59], und Alba-Proteine ​​können zu diesem Prozess beitragen, was durch die stärkere Co-Sedimentation dieser Proteine ​​mit ribosomalen Untereinheiten bei verminderter Translation unterstützt wird. Kürzlich wurde gezeigt, dass Komponenten der T. brucei rRNA-Verarbeitungsmaschinen spielen eine zusätzliche Rolle bei der Regulierung von mRNAs, die von RNA-Polymerase I im Nukleolus transkribiert werden, wie GPEET [77]. Als Reaktion auf Stress können RNA-bindende zytoplasmatische Proteine ​​in den Zellkern verlagert werden. Beispielsweise verursacht die Hemmung der Transkription mit Actinomycin D eine Akkumulation von LmPABP2 und LmPABP3 im Nukleoplasma [12] und Arsenit-Stress führt zur Ansammlung von TcUBP-1-Protein [78].

Das Flagellum ist eine multifunktionale Organelle, die nicht nur zur Parasitenmotilität beiträgt, sondern auch eine wichtige Rolle bei der Zellmorphogenese und Wirt-Parasit-Interaktionen spielt [79, 80]. Da das Flagellum keine eigene Translationsmaschinerie besitzt, werden alle seine Bestandteile synthetisiert und aus dem Zytosol transportiert [81]. Während der Amastigotendifferenzierung wirken sich mehrere Veränderungen in der Expression stadienspezifischer Flagellumkomponenten und insbesondere in der Länge des Flagellums aus, das zu einem rudimentären Organell wird, das bei Amastigotenformen sehr kurz und unbeweglich ist (Übersicht von [79]). Die Flagellar-Lokalisierung von Alba-Proteinen während der ersten Stunden der Amastigoten-Differenzierung könnte eine Möglichkeit sein, diese Proteine ​​zusammen mit einigen ihrer mRNA-Targets zu sequestrieren und sie so vor dem Abbau zu schützen oder alternativ aus der Translationsmaschinerie zu entfernen. Die Bindung von Alba-Proteinen an das Flagellum könnte auch ihre Bindung an andere Proteine ​​oder RNP-Komplexe verhindern, die (positiv oder negativ) die Expression spezifischer Genuntergruppen regulieren, die nur während der Amastigoten-Differenzierung benötigt werden. Wir haben bereits gezeigt, dass Amastigoten-spezifische Transkripte wie Delta-Astine und A2 werden stabilisiert durch LiAlba3 [18]. RNA-Immunpräzipitation und RNA-Sequenzierung könnten interessante Folgestudien sein, um RNA-Spezies zu identifizieren, die mit Alba-Proteinen während des Differenzierungsprozesses interagieren. Es ist vernünftig anzunehmen, dass Alba-Proteine ​​durch ihre Assoziation mit anderen Proteinen in das Flagellum verlagert werden. Co-Immunpräzipitationsexperimente zur Differenzierung von Amastigoten ergaben jedoch keine neuen Interaktionspartner von LiAlba3, die Veränderungen in seiner subzellulären Lokalisation erklären könnte (Daten nicht gezeigt). Posttranslationale Modifikationen könnten die Interaktionen der Alba-Proteine ​​mit ihren mRNA-Targets oder Partnerproteinen verändern und somit ihre unterschiedliche Lokalisation stören. In Übereinstimmung mit dieser Möglichkeit ist unsere Feststellung, dass LiAlba3 wird in Promastigoten posttranslational modifiziert, möglicherweise durch Methylierung in einem der RGG-Motive, jedoch nicht während der Amastigoten-Differenzierung. PTMs auf Alba-Proteinen könnten auch innerhalb des Flagellums stattfinden, wie für andere regulatorische Proteine ​​im primären Zilien beschrieben (Übersicht in [82]).

Hier haben wir zum ersten Mal auch das Flagellum-Proteom von . teilweise charakterisiert Leishmanien Promastigoten und Differenzierung von Amastigoten unter Verwendung intakter Flagellenpräparate. Fünfhundertachtundsechzig Proteine ​​wurden als Teil der Leishmanien mit Flagellum angereicherte Fraktion. Ungefähr 57 % dieser Proteine ​​sind mit den kürzlich charakterisierten Proteinen gemeinsam T. brucei Flagellum-Proteom [30], aber nur 30% der Ähnlichkeiten wurden im Vergleich mit dem Flagellen-Proteom von Blutstrom-Prozyklika festgestellt, das mit einem anderen Ansatz etabliert wurde [74]. Zusätzlich zu

100 Flagellum-Bestandteile, darunter Proteine ​​des paraflagellaren Stäbchens, der Radialspeiche, des Dynein-Komplexes und des Axonems, die Leishmanien Die Flagellum-Fraktion enthält eine Reihe von Chaperonen/Chaperoninen, ribosomale Proteine ​​und Translationsfaktoren, Komponenten der mitochondrialen oxidativen Phosphorylierungsmaschinerie, Proteine, die am Stoffwechsel und Transport beteiligt sind, Komponenten des Proteasoms und eine große Anzahl hypothetischer Proteine, von denen einige Leishmanien-Spezifisch. Das Vorhandensein von mitochondrialen Proteinen im Flagellum ist angesichts der starken Assoziation zwischen dem Kinetoplasten und dem Flagellum um die Flagellum-Anheftungszone nicht überraschend. Die Tatsache, dass unsere Flagellenpräparate DAPI-positiv waren, könnte jedoch auf eine Kontamination mit mitochondrialen Fraktionen hinweisen. Neben Alba-Domänen-Proteinen wurden auch andere RNA-bindende Proteine ​​in der Leishmanien mit Flagellum angereicherte Fraktion. Interessanterweise wurden einige dieser RNA-bindenden Proteine ​​(PABP2, PABP3, ATP-abhängige RNA-Helikase LinJ.32.0410, LinJ.32.0790, LinJ.27.1220 und LinJ.35.2240) in identifiziert LiAlba-Klimmzüge. Auch die mutmaßliche Dipeptidyl-Peptidase III (LinJ.05.0960), die eine Rolle beim Proteinumsatz spielt und in anderen Organismen auf unterschiedliche Belastungen anspricht [83], und das Trypanosomatid-Ortholog von NTF-2 (LinJ.21.0490) sind in den Flagellum-Fraktion, und interessanterweise scheinen diese Proteine ​​mit LiAlba3 durch Co-Immunpräzipitationsassays. NTF-2 könnte als Fracht dienen, die die Translokation von LiAlba-Proteine ​​an das Flagellum und es wurde nur im Flagellum von sich differenzierenden Amastigoten beobachtet. Leider war es nicht möglich, eine lebensfähige Nullmutante des zu erhalten NTF-2 Gen für weitere Studien (Daten nicht gezeigt). Einige Flagellenkomponenten (20 Proteine) und mehrere hypothetische Proteine, darunter die meisten Leishmanien-spezifische (insgesamt 48) fehlten bei der Flagellum-Präparation von differenzierenden Amastigoten. Im Gegenteil, mehrere Proteine, die an Stoffwechsel und mitochondrialer Funktion (insgesamt 29), RNA-Stoffwechsel und Translation (24 Proteine), Proteinfaltung und -abbau beteiligt sind, wurden in der Flagellenfraktion differenzierender Parasiten angereichert. Insgesamt wurden 201 Proteine ​​bevorzugt im Flagellum von Promastigoten oder differenzierenden Amastigoten gefunden. Dennoch sind zusätzliche Experimente erforderlich, um diese Unterschiede zu bestätigen.

Shuttle von Alba-Domänen-Proteinen zwischen dem Zytoplasma und dem Nukleolus oder dem Flagellum nach Leishmanien Die Differenzierung von Promastigoten zu Amastigoten unterstreicht eine noch zu klärende wichtige Rolle(n), die diese RNA-bindenden Proteine ​​bei der Regulierung der Genexpression während der Parasitenentwicklung spielen können.


Biologie ist die wissenschaftliche Erforschung der Lebewesen: ihrer Form, ihrer Funktion, ihrer Herkunft und ihres Verhaltens. Das Studium der Biologie kann ein wichtiger Teil einer liberalen Ausbildung sein, denn um es gut zu verstehen, erfordert es Kenntnisse in Chemie, Physik, Mathematik und Naturgeschichte, um es gut zu beschreiben, erfordert die Beherrschung der Sprache und die Fähigkeit, Beobachtungen visuell darzustellen, um es zu schätzen ein Bewusstsein für die menschliche Natur in Vergangenheit und Gegenwart und das Zusammenspiel zwischen Menschen und anderen lebenden Organismen und ihrer gemeinsamen Umwelt. Seit dreitausend Jahren hat sich diese Disziplin entwickelt, um Lebewesen mit Hilfe der Heil-, Garten- und Lebenskunst zu beschreiben. Heute strotzt es nur so vor spannenden neuen Erkenntnissen und Entdeckungen, so dass weise Menschen es immer noch mit Staunen lesen oder ihm mit Freude nachgehen.

In dieser Abteilung werden drei Dinge versucht: allen Studierenden ein Verständnis für den Umfang, die Techniken und die allgemeinen Prinzipien zu vermitteln, die der Biologie zugrunde liegen, um nach Möglichkeit zum selbstständigen Studium und zum Selbstlernen zu ermutigen, um ernsthaft an einem weiterführenden Studium interessierten Studierenden die Möglichkeit zu geben, sich selbst zu erkunden die Bereiche von besonderem Interesse für Fakultäten, die sich hauptsächlich mit den Bereichen Ökologie und Physiologie befassen.

Studierende, die beabsichtigen, ein Major oder Minor oder Honours in Biologie zu belegen, sollten vor Abschluss der Registrierung die Website des Departments und/oder einen Programmberater konsultieren.

Disziplinar-B.Sc. Programme

MINOR in Biologie umfasst 24 Credits, die wie folgt erworben werden:

6aus BIOL 1001, 1501
3aus CHEM 1001, BIOC 1001
9aus BIOL 2101, 2201, 2301, 2401, 2701, 2811
6aus Biologie auf dem 3/4000-Niveau

MAJOR in Biologie umfasst 60 Credits, die wie folgt erworben werden:

6aus BIOL 1001, 1501
3aus PHYS 1051, 1041
3von MATH 1111 oder 1151
3von MATH 1121, 1251, 2211, 2221 oder COMP 1631
3aus CHEM 1001
3ab BIOC 1001
9aus BIOL 2101, 2701, 2811
9aus BIOL 2201, 2301, 2401, BIOC 2001
21zusätzliche Credits aus Biologie auf dem 3/4000-Niveau

Hinweis: BIOC 2001 ist Voraussetzung für mehrere 3/4000 Biologiekurse.

Hinweis: Zusätzliche 3/4000-Level-Kurse sind erforderlich, um die Kalendervorschrift 11.3.5 zu erfüllen

Hinweis: Lehrveranstaltungen mit wesentlichen biologischen Inhalten, die von anderen Fachbereichen angeboten werden, können als Biologie-Credits anerkannt werden (maximal 6 Credits, mit Genehmigung des Fachbereichs Biologie).

HONORS in Biologie umfasst 75 Credits, die wie folgt erworben werden:

60wie im Major, inklusive 3 Credits aus BIOL 2701 oder 4711, plus:
9aus BIOL 4903, 4990
6aus Biologie auf 3/4000-Niveau, ausgewählt in Absprache mit dem Programmberater

Hinweis: Die erforderliche Abschlussarbeit umfasst Labor- oder Felduntersuchungen, und es sei denn, der Kandidat zeigt eine ausreichende Fähigkeit zur selbstständigen Arbeit, werden keine Auszeichnungen empfohlen. Mit Genehmigung des Fachbereichs Biologie können bis zu 6 Credits aus einer genehmigten Liste von Lehrveranstaltungen anderer Fachbereiche als Äquivalent zu Biologiekursen im Major oder Honours verwendet werden.

BIOLOGIEKURSE

Hinweis: Die Eintragung eines Kurses im Kalender ist keine Garantie dafür, dass der Kurs jedes Jahr angeboten wird.

Hinweis: Die Studierenden müssen in allen Kursen, die zur Erfüllung der Voraussetzungen verwendet werden, eine Note von mindestens C- erhalten. Andernfalls ist die schriftliche Genehmigung des zuständigen Abteilungsleiters oder Programmkoordinators einzuholen.

BIOL 1001 (3,00)
Grundlagen der Biologie
Dieser Kurs führt in die Grundlagen der Organismenbiologie ein: die wissenschaftliche Methode, die Prinzipien der Evolution einschließlich Darwins Theorie der natürlichen Selektion, Anpassungen in Form und Funktion von Organismen, Biodiversität, die Interaktionen von Organismen mit ihrer Umwelt und die Praktiken der wissenschaftlichen Kommunikation. [Anmerkung 1: Dieser Kurs ist für naturwissenschaftliche Hauptfächer konzipiert. Studierende, die ein weiteres Studium der Biologie beabsichtigen, sollten die Absolvierung von BIOC 1001 als Voraussetzung für BIOL 1501 beachten.] (Format: Vorlesung 3 Std., Labor 3 Std.) (Ausschluss: Jede bisher mit einem anderen Titel angebotene Version von BIOL 1001 )

BIOL 1201 (3.00)
Menschliche Biologie
Dieser Kurs wendet biologische Prinzipien auf praktische menschliche Belange an. Es stellt die Entwicklung, Struktur und Funktion des menschlichen Körpers und Mechanismen bei degenerativen Infektionskrankheiten vor, diskutiert die menschliche Fortpflanzung und Genetik, untersucht den Einfluss der Evolutionstheorie auf unser Verständnis der menschlichen Spezies, betrachtet die Wechselbeziehungen zwischen natürlichen Ökosystemen und menschlichen Aktivitäten , und befasst sich mit Gefahren für die Umwelt durch Umweltverschmutzung und Überbevölkerung. [Anmerkung 1: Dieser Kurs ist auf nicht-wissenschaftliche Studiengänge beschränkt. Naturwissenschaftliche Studiengänge benötigen zur Einschreibung die Zustimmung des Dozenten.] (Format: Vorlesung 3 Std.)(Verbreitung: Naturwissenschaften-b)

BIOL 1501 (3,00)
Zellen-Biologie
Voraussetzung: BIOC 1001 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs führt in die Struktur, Organisation und Funktionen der Zelle ein, die die grundlegende strukturelle und funktionelle Einheit lebender Organismen ist. Es legt besonderen Wert auf eukaryotische Zellen. Themen sind: Membranen und Organellen, Kommunikation innerhalb und zwischen Zellen, Membrantransport, Zellzyklus, Meiose und Mitose. (Format: Vorlesung 3 Stunden, Labor 3 Stunden)

BIOL 1991 (3.00)
Spezialthema Biologie
Dieser Studiengang konzentriert sich entweder auf Themen, die im aktuellen Studienangebot eines Fachbereichs oder Studiengangs nicht abgedeckt sind, oder bietet die Möglichkeit, einen Studiengang zu pilotieren, der für die Aufnahme in den regulären Studiengang in Betracht gezogen wird. [Anmerkung 1: Voraussetzung, die von der Abteilung/dem Studiengang festgelegt wird, wenn das Thema und die Stufe bekannt gegeben werden. Hinweis 2: Wenn ein Fachbereich oder ein Studiengang einen Studiengang unter dieser Bezeichnung anbieten möchte, muss er dem Dekan in der Regel mindestens drei Monate im Voraus Studieninformationen übermitteln. Hinweis 3: Studierende können sich mehrfach für BIOL 1991 anmelden, sofern die Thematik unterschiedlich ist.] (Format: Variabel)

BIOL 2101 (3.00)
Einführung in die Ökologie
Voraussetzung: BIOL 1001 BIOL 1501 dringend empfohlen oder Genehmigung des Instituts
In diesem Kurs werden aktuelle Konzepte der Populations- und Gemeinschaftsökologie eingeführt, wobei nach Möglichkeit lokale Ökosysteme und Organismen, hauptsächlich Wasserinsekten, verwendet werden. (Format: Vorlesung 3 Stunden, Labor 3 Stunden) (Ausschluss: Jede zuvor mit einem anderen Titel angebotene Version von BIOL 2101)

BIOL 2201 (3,00)
Form und Funktion: Mikroorganismen
Voraussetzung: 3 Credits aus BIOL 1501, BIOC 2001 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs untersucht die evolutionäre und funktionelle Vielfalt der Archaeen, Bakterien und ausgewählter eukaryotischer Mikroben, untersucht die zellulären Strukturen und Stoffwechselprozesse, die für jede Gruppe charakteristisch sind, und wie diese Eigenschaften es dem Menschen ermöglichen, das mikrobielle Wachstum zu kontrollieren und zu nutzen. Der Kurs untersucht auch, wie die Genomsequenzierung unsere Ansichten zur mikrobiellen Evolution und Ökologie verändert. (Format: Vorlesung 3 Std., Labor 3 Std.) (Ausschluss: BIOL 3101)

BIOL 2301 (3,00)
Form und Funktion: Pflanzen
Voraussetzung: BIOL 1001 BIOL 1501 dringend empfohlen oder Genehmigung des Instituts
Dieser Kurs führt in den Aufbau und die Funktion von Pflanzen ein, wobei der Schwerpunkt auf Gefäßpflanzen liegt. Zu den Themen gehören vergleichende Anatomie, Entwicklung und funktionelle Anpassungen an die Umwelt und wie die Genomsequenzierung unsere Ansichten über Pflanzenevolution und Ökologie verändert. (Format: Vorlesung 3 Stunden, Labor 3 Stunden) (Ausschluss: Jede zuvor mit einem anderen Titel angebotene Version von BIOL 2301)

BIOL 2401 (3.00)
Form und Funktion: Tiere
Voraussetzung: BIOL 1001 BIOL 1501 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs führt die Studierenden in die Struktur und Funktion der wichtigsten Gruppen von Wirbellosen und Wirbeltieren auf vergleichender Basis durch Beobachtung von sowohl konserviertem als auch lebendem Material ein. Zu den Themen gehören vergleichende Anatomie und Phylogenie sowie die Evolution und Funktion des Bewegungs-, Verdauungs-, Ausscheidungs-, Atmungs-, Nerven- und Fortpflanzungssystems. (Format: Vortrag 3 Stunden, Labor 3 Stunden) (Ausschluss: Jede Version von BIOL 2401, die zuvor mit einem anderen Titel)

BIOL 2701 (3.00)
Einführung in Design und statistische Analyse
Voraussetzung: 3 Credits aus BIOL 1001, 1501 3 Credits aus MATH 1111, 1151 oder Genehmigung des Fachbereichs
Dieser Kurs führt in die Datenanalyse, die Prinzipien des experimentellen Designs und das Formulieren und Testen von Hypothesen ein. Es beschreibt grafische und statistische (t-Test, Chi-Quadrat-Test, ANOVA) Analysen von im Labor und Feld gesammelten Daten und diskutiert ihre angemessene Verwendung in der Biologie. [Anmerkung 1: Datenverwaltung und statistische Analysen verwenden Excel und R.](Format: Vorlesung 3 Stunden und Tutorial 1,5 Stunden) (Ausschluss: BIOL 3701 jede Version von BIOL 2701, die zuvor mit einem anderen Titel angeboten wurde)

BIOL 2811 (3.00)
Genetik und Evolution
Voraussetzung: BIOL 1001 BIOL 1501 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs untersucht die Evolution durch natürliche Selektion als treibende Kraft hinter der Vielfalt des Lebens und untersucht genetische und evolutionäre Prozesse von der Zellebene (Gentranskription, Rekombination, Mutation) über Populationen (Selektion, Migration, genetische Drift) bis hin zu Arten (Artenbildung, Auslöschung, Einschränkung). Es untersucht moderne Theorien der biologischen Evolution, ausgehend von der Mendelschen Genetik bis hin zur Genomik, und präsentiert die Evolutionsbiologie als experimentelle Wissenschaft, wobei die Methoden betont werden, die verwendet werden, um evolutionäre Hypothesen in freier Wildbahn und im Labor zu testen. Es verwendet Viren, Bakterien und Eukaryoten unterschiedlicher Komplexität als Beispiele sowohl in der Vorlesung als auch im Labor. (Format: Vorlesung 3 Std., Labor 3 Std.) (Ausschluss: 6 Credits aus BIOL 2601 und BIOL 2801)

BIOL 2991 (3.00)
Spezialthema Biologie
Dieser Studiengang konzentriert sich entweder auf Themen, die im aktuellen Studienangebot eines Fachbereichs oder Studiengangs nicht abgedeckt sind, oder bietet die Möglichkeit, einen Studiengang zu pilotieren, der für die Aufnahme in den regulären Studiengang in Betracht gezogen wird. [Anmerkung 1: Voraussetzung, die von der Abteilung/dem Studiengang festgelegt wird, wenn das Thema und die Stufe bekannt gegeben werden. Hinweis 2: Wenn ein Fachbereich oder ein Studiengang einen Studiengang unter dieser Bezeichnung anbieten möchte, muss er dem Dekan in der Regel mindestens drei Monate im Voraus Studieninformationen übermitteln. Hinweis 3: Studierende können sich mehrfach für BIOL 2991 anmelden, sofern die Thematik unterschiedlich ist.] (Format: Variabel)

BIOL 3021 (3.00)
Paläontologie
Voraussetzung: BIOL 2301 BIOL 2401 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs gibt einen Überblick über die wichtigsten fossilen Pflanzen- und Tiertaxa im Kontext der Geschichte makroskopischer und mikroskopischer Lebensformen auf der Erde. Es diskutiert Morphologie und Anatomie von Organismen in Bezug auf begleitende Veränderungen in marinen und terrestrischen Umgebungen und betont gegebenenfalls diagnostische Merkmale der Organismen, die als Zeit- (Biostratigraphie) und/oder Umweltindikatoren (Paläoökologie) verwendet werden. (Format: Vorlesung 3 Std., Labor 3 Std.) (Ausschluss: GENS 3991 Einführung in die Paläontologie)

BIOL 3031 (3,00)
Molekulare Analysen
Voraussetzung: BIOC 2001 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs konzentriert sich auf die experimentelle Analyse und Computermodellierung von Schlüsselkonzepten der molekularen Grundlagen der Biologie, einschließlich Nukleinsäurestruktur, Synthese und Replikation durch templatgesteuerte Polymerisationen. Der Kurs baut auf diesen Schlüsselkonzepten auf, um Genstruktur, Expression und Gentechnik zu erforschen, was zu den weitreichenden Anwendungen der Molekularbiologie in Biologie, Medizin und Diagnostik führt. [Anmerkung 1: Dieser Kurs ist mit BIOC 3031 kreuzgelistet und kann daher als 3 Credits in beiden Disziplinen angerechnet werden. Hinweis 2: Dieser Kurs ist für Studenten erforderlich, die ein Major oder Honours in Biochemie abschließen. Es steht Studierenden anderer Studiengänge nach Verfügbarkeit von Plätzen offen, sofern der Studierende die Voraussetzungen erfüllt.] (Format: Integrierte Vorlesung und Labor, 6 Stunden) (Ausschluss: BIOC 3021 BIOC 3531)

BIOL 3051 (3.00)
Molekulare Immunologie
Voraussetzung: BIOC 2001 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs erklärt die molekularen Kernstrukturen des Immunsystems: Antikörper und ihre Interaktionen mit Antigenen. Es stellt diese molekularen Wechselwirkungen in den Kontext der Zellen und Gewebe des Immunsystems und der Signalkaskaden, die Immunantworten regulieren. Der Kurs schließt mit Themen der Immunologie und Anwendungen der Immunchemie ab. [Anmerkung 1: Dieser Kurs ist mit BIOC 3051 kreuzgelistet und kann daher in beiden Disziplinen als drei Credits angerechnet werden.] (Format: Vorlesung 3 Stunden) (Ausschluss: BIOC 4011)

BIOL 3111 (3,00)
Umweltmikrobiologie
Voraussetzung: 3 Credits aus BIOL 2201, BIOC 2001 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs behandelt die Ökophysiologie von Mikroorganismen. Der Kurs untersucht die wichtigsten funktionellen mikrobiellen Gruppen, die wichtige Schritte in den biogeochemischen Kreisläufen vermitteln, ihre ökologischen Anforderungen und Faktoren, die ihr Wachstum und ihre Aktivität einschränken. Dies führt zu einer Diskussion der Rolle von Mikroorganismen in aktuellen Fragestellungen in Biologie, Industrie und Umweltwissenschaften. (Format: Integrierte Vorlesung und Labor 6 Stunden) (Ausschluss: Jede zuvor mit einem anderen Titel angebotene Version von BIOL 3111)

BIOL 3201 (3,00)
Tierphysiologische Anpassung und Umwelt
Voraussetzung: BIOL 2401 BIOL 2701 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs konzentriert sich auf die physiologischen Prozesse, die einem monumentalen Schritt in der Evolution der Wirbeltiere, dem Übergang vom Wasser zum Land, zugrunde liegen. Es untersucht die Atmungs-, Kreislauf-, Säure-Basen- und osmoregulatorischen Anpassungen von Fischen an Säugetiere und untersucht die Integration der Tierphysiologie mit der Umwelt durch Untersuchung des Stoffwechsels und der Temperatur. (Format: Vorlesung 3 Stunden, Labor 3 Stunden)

BIOL 3211 (3.00)
Physiologie des Menschen
Voraussetzung: BIOL 1501 im dritten Jahr oder Genehmigung des Instituts
Dieser Kurs bietet ein umfassendes Studium der Physiologie des menschlichen Körpers. Es untersucht die Funktion des Nerven-, Muskel-, sensorischen, endokrinen, respiratorischen, kardiovaskulären und renalen Systems. [Hinweis: Laborübungen mit Studierenden als Versuchsteilnehmer ergänzen den Lehrstoff und vertiefen das Wissen über wichtige physiologische Vorgänge.] (Format: Vorlesung 3 Std., Labor 3 Std.) (Ausschlüsse: Alle vor 2015 angebotenen Versionen von BIOL 3201- 2016 Jede Version von BIOL 3211, die zuvor mit einem anderen Titel angeboten wurde)

BIOL 3221 (3.00)
Menschliche Anatomie
Voraussetzung: 3 Credits aus BIOL 2401, 3211 oder Genehmigung des Instituts
Dieser Kurs untersucht die strukturelle Organisation des menschlichen Körpers, einschließlich des Integumental-, Skelett-, Muskel-, Nerven-, Hormon-, Herz-Kreislauf-, Atmungs-, Verdauungs-, Harn- und Fortpflanzungssystems. Es untersucht diese Systeme im Kontext der menschlichen Gesundheit und Krankheit. (Format: Vorlesung 3 Stunden) (Ausschluss BIOL 3991 Anatomie des Menschen)

BIOL 3301 (3,00)
Physiologische Pflanzenökologie
Voraussetzung: BIOL 2101 BIOL 2301 oder Genehmigung des Departements
In diesem Kurs wird untersucht, wie Pflanzen auf ihre Umgebung reagieren. Zu den Themen gehören eine Diskussion über Transpiration und Wärmeübertragung, Photosynthese in der Natur, Vernalisation, Photoperiodismus und Reaktion auf Stress wie Trockenheit, Temperatur, Salzgehalt und Schadstoffe. (Format: Vorlesung und Labor 3 Stunden) (Ausschluss: BIOL 4301)

BIOL 3351 (3.00)
Meeresbotanik
Voraussetzung: BIOL 2301 oder Genehmigung des Departements
Ein Vortrag, ein Labor und ein Feldkurs, der die jüngsten Fortschritte in unserem Verständnis des makroskopischen Pflanzenwachstums im Meer zusammenfasst. Dieser Fortschritt basiert auf Studien zu Morphologie, Entwicklung, Physiologie und Ökologie. Folgende Themen stehen im Vordergrund: das Meer als Lebensraum für Pflanzenwachstum, Produktion von Meerespflanzen, Morphogenese und geografische Verbreitung von Meerespflanzen sowie Nutzung von Meerespflanzen. (Format: Vorlesung 3 Stunden, Labor 3 Stunden)

BIOL 3361 (3.00)
Meeresbiologie I: Küstensysteme
Voraussetzung: BIOL 2101 2401 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs untersucht die Ökologie von Mündungs-, Gezeiten- und Gezeitenökosystemen auf individueller, Bevölkerungs- und Gemeindeebene. Zu den Themen gehören Gemeinschaftsstruktur, Nahrungsnetze, Reproduktionsbiologie benthischer Organismen und Auswirkungen physikalischer und anthropogener Faktoren. [Hinweis: Der Kurs beinhaltet eine Exkursion zum Huntsman Marine Sciences Center in St. Andrews, N.B. Von den Studierenden wird erwartet, dass sie sich an ihren Unterkunftskosten beteiligen.] (Format: Vorlesung 3 Stunden, Exkursion)

BIOL 3371 (3.00)
Prinzipien der Aquakultur
Voraussetzung: BIOL 2401 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs bietet eine Einführung in die Geschichte, Praxis und Zukunft der Aquakultur mit besonderem Schwerpunkt auf der Entwicklung der Aquakultur von Flossenfischen im Atlantik-Kanada. Zu den Themen gehören Wachstumsbiologie, Kultur von Lebendfutter, Bruttechniken, Gesundheit, Ernährung, Technik, Wirtschaft und öffentliche Ordnung. (Format: Vorlesung 3 Stunden, Labor 3 Stunden) (Ausschluss: BIOL 3991 Prinzipien der Aquakultur)

BIOL 3401 (3,00)
Tierisches Verhalten
Voraussetzung: BIOL 2101 BIOL 2401 oder Genehmigung des Departements
Ein Kurs, der die Entwicklung, Physiologie, Ökologie und Evolution des tierischen Verhaltens vorstellt. Zu den zu diskutierenden Themen gehören grundlegende Konzepte der Verhaltensorganisation Verhaltensphysiologie, Lern- und Gedächtnisphänomene Kommunikationsverhalten Fortpflanzungsverhalten und Paarungssysteme räumliche Verteilungsmuster und soziale Systeme Migrations- und Orientierungsmechanismen Nahrungsaufnahme und Anti-Raubtierverhalten. Exkursionen und Laborübungen ermöglichen es den Schülern, verschiedene Verhaltensweisen bei einer Vielzahl von Tierarten zu beobachten und zu quantifizieren. (Format: Vorlesung 3 Stunden, Labor 3 Stunden)

BIOL 3421 (3,00)
Biogeographie
Voraussetzung: GENS 2421 GENS 2431 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs erforscht die Verbindungen zwischen der Geomorphologie und Klimatologie einer Region und der Pflanzen-Tier-Umgebung durch einen biogeographischen Ansatz für ökologische Studien. Es konzentriert sich auf die Geographie von Pflanzen, einschließlich der Umweltkontrollen von Pflanzenverteilungen und den funktionalen und historischen Aspekten von Pflanzengemeinschaften. [Anmerkung 1: Dieser Kurs ist mit GENS 3421 kreuzgelistet und kann daher in beiden Disziplinen als drei Credits angerechnet werden.] (Format: Vorlesung 3 Stunden, Labor 3 Stunden) (Ausschluss: GEOG 3421)

BIOL 3451 (3,00)
Entomologie
Voraussetzung: BIOL 2401 oder Genehmigung des Departements
Insekten übertreffen alle anderen Organismen in ihrer Vielfalt und Zahl und umfassen über zwei Drittel der bekannten Tiere der Erde. Dieser Kurs führt die Studenten in diese Klasse von Organismen ein, indem er die folgenden sechs Bereiche abdeckt: Struktur, Funktionsklassifikation und Phylogenie, Verhalten und Ökologie. Während des gesamten Kurses werden evolutionäre Kräfte betont, die die beteiligten Tiere und Systeme beeinflussen. Die Diskussionen werden die Verwendung der vergleichenden Methoden betonen, um zu bestimmen, was diese Kräfte sein könnten. (Format: Vorlesung 3 Std., Labor-/Feldausflug 3 Std.)

BIOL 3501 (3.00)
Einheimische Flora (Gefäßpflanzen)
Voraussetzung: BIOL 2301 oder Genehmigung des Departements
Ein feldorientierter Kurs zur Identifizierung, Taxonomie und Ökologie von Gefäßpflanzen. (Format: Vorlesung 3 Std., Labor-/Feldausflug 3 Std.)

BIOL 3511 (3.00)
Zoologie der Wirbellosen
Voraussetzung: BIOL 2401 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs untersucht in einem evolutionären Rahmen die Variation in Körperbau, Physiologie, Fortpflanzung und Ökologie für die mehr als dreißig wirbellosen Stämme. (Format: Vorlesung 3 Std., Labor 3 Std.) (Ausschluss: BIOL 4511)

BIOL 3601 (3.00)
Ökologische Genetik
Voraussetzung: BIOL 2811 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs untersucht theoretische und beobachtete Veränderungen von ökologisch bedeutsamen Merkmalen. Es erforscht die Verbindungen zwischen ökologischen Eigenschaften von Populationen und evolutionären Kräften durch das Studium der Populationsstruktur, die mathematische Behandlung von Modellen, quantitative Merkmale und die natürliche Selektion auf phänotypische Merkmale. (Format: Vorlesung 3 Stunden)

BIOL-3621 (3,00)
Angewandte Genetik
Prereq oder coreq: BIOL 3661 oder Genehmigung des Departements
In diesem Kurs wird untersucht, wie genetische Technologien zur Lösung aktueller Probleme in der Biologie von der Ökologie bis zur Medizin eingesetzt werden können. Es vermittelt Fähigkeiten in aktuellen Gentechnologien, einschließlich einiger oder aller von: Polymerase-Kettenreaktion (PCR), DNA-Extraktion, Gelelektrophorese, Zytologie, In-situ-Hybridisierung, Immunzytologie, Data Mining, Bioinformatik, konventionelle Lichtmikroskopie, Fluoreszenzmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, und verwandte Techniken. (Format: Integrierte Vorlesung und Labor, 5 Stunden)

BIOL 3631 (3,00)
Entwicklungsbiologie
Voraussetzung: BIOL 2811 oder Genehmigung des Departements
Der Kurs bietet eine Grundlage für das schnell wachsende Gebiet der Entwicklungsbiologie, das sich auf die Disziplinen Zellbiologie, Genetik und Molekularbiologie stützt. Dieser Kurs konzentriert sich auf die strukturellen Veränderungen, die während der Entwicklung, Differenzierung und des Wachstums von Organismen auftreten. Es untersucht Gametogenese, Befruchtung und Embryogenese in einer Vielzahl von Modellorganismen. Laborübungen vertiefen die Konzepte und Entwicklungsstufen. (Format: Vorlesung 3 Std., Labor 3 Std.) (Ausschluss: BIOL 3311 jede bisher unter anderem Titel angebotene Version von BIOL 3631)

BIOL 3651 (3,00)
Einführung in die Ornithologie
Voraussetzung: BIOL 2101 BIOL 2401 oder Genehmigung des Departements
Eine Einführung in die Vogelkunde durch Vorlesungen, Labore und Exkursionen. Alle in der maritimen Region vertretenen Vogelfamilien werden diskutiert, mit besonderem Schwerpunkt auf Anatomie, strukturellen Anpassungen, Verhalten und Physiologie. Die Arten, aus denen die Vogelgemeinschaften des Sackville-Gebiets bestehen, werden bei Exkursionen untersucht. (Format: Vorlesung 3 Std., Labor-/Feldausflug 3 Std.)

BIOL 3661 (3,00)
Genetische Analyse
Voraussetzung: 3 Credits aus BIOL 2811, BIOC 2001 oder Genehmigung des Departements
In diesem Kurs wird untersucht, wie das genetische Programm von Zellen mit der äußeren und organismischen Umgebung interagiert, um den Phänotyp des Organismus zu erzeugen. Es untersucht unser derzeitiges Verständnis davon, wie Interaktionen zwischen Genen, Genidentifizierung, Gen-Umwelt-Interaktionen, Genregulation und Epigenetik eine normale Entwicklung ermöglichen. Krankheiten von Mensch, Tier und Pflanze sind Beispiele dafür, wie diese Prozesse funktionieren und welche Folgen eine Störung hat. (Format: Vorlesung 3 Stunden)

BIOL 3711 (3.00)
Biochemische Ökologie
Voraussetzung: BIOL 2101 BIOC 2001 oder Genehmigung des Fachbereichs Biologie
Dieser Kurs befasst sich mit der Biochemie der Wechselwirkungen zwischen Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen, die in der natürlichen Umwelt vorkommen. Sie legt großen Wert auf die Rolle sogenannter "Sekundärmetaboliten" oder "Naturstoffe" wie Alkaloide, Flavonoide, Terpenoide usw. in den Beziehungen Insekten-Pflanze, Wirbeltier-Pflanze, Pflanze-Pflanze und Wirbeltier-Wirbeltier. (Format: Seminar 3 Stunden) [Anmerkung 1: Dieser Kurs ist mit BIOC 3711 kreuzgelistet und kann daher in beiden Disziplinen als drei Credits angerechnet werden.]

BIOL 3751 (3,00)
Vergleichende Anatomie der Chordate
Voraussetzung: BIOL 2401 oder Genehmigung des Departements
Eine Vorlesung und ein Praktikum, in dem Struktur, Funktion und Vielfalt von Wirbeltieren untersucht und verglichen werden. Es werden sukzessive Modifikationen struktureller und funktioneller Systeme von Wirbeltieren diskutiert und Spekulationen über den Überlebenswert dieser Systeme und ihre Beziehungen zu zeitgenössischen Umwelten gemacht. (Format: Vorlesung 3 Stunden, Labor 3 Stunden)

BIOL 3781 (3,00)
Tropische Meeresbiologie
Voraussetzung: BIOL 2101 2401 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs führt in die Fauna, Flora und die komplexen ökologischen und verhaltensbezogenen Interaktionen von Organismen in tropischen Lebensräumen ein und ermöglicht die unabhängige Forschung in solchen Lebensräumen. Es umfasst die Erkundung von Korallenriffen, Rifflagunen, Mangrovensümpfen und felsigen Küsten vor Ort. [Anmerkung 1: Die Feldkomponente dieses Kurses findet normalerweise an einem Ort in der Karibik statt. Die Teilnehmerzahl ist begrenzt und Studierende sollten sich der zusätzlichen Reise- und Teilnahmegebühren bewusst sein.] (Format: Vorlesung 3 Stunden, Exkursion (Ausschluss: BIOL 4701)

BIOL 3801 (3.00)
Theoretische und evolutionäre Ökologie
Voraussetzung: Drittklässler BIOL 2101 BIOL 2701 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs bewertet Theorien der Populations- und Evolutionsökologie, die in BIOL 2101 eingeführt wurden. Unter Verwendung einer Reihe von mathematischen und Simulationstechniken untersucht er die Auswirkungen bestimmter Parameter auf die vorhergesagten Ergebnisse von Evolutionsmodellen und ökologischen Modellen wie Bevölkerungswachstum, Konkurrenz, Prädation , und Gemeinschaft. Der Kurs bewertet die Grenzen, Anwendung und Interpretation der Ergebnisse für jedes untersuchte Modell. (Format: Vorlesung 3 Stunden)

BIOL 3811 (3.00)
Naturschutzbiologie
Voraussetzung: BIOL 2101 oder Genehmigung des Departements
Das Gebiet der Naturschutzbiologie bezieht sich auf die Prinzipien der Ökologie, Biogeographie und Populationsgenetik zur Minderung menschlicher Auswirkungen und zum Erhalt der globalen Biodiversität. Der Kurs macht die Studierenden mit den Konzepten und Prinzipien der Naturschutzbiologie vertraut und fördert eine aktive Debatte über Bedrohungen der ökologischen Integrität und die Art und Weise, wie Wissenschaftler versuchen, mit solchen Bedrohungen umzugehen. (Format: Vorlesung 3 Stunden)

BIOL 3911 (3.00)
Pflanzen und menschliche Gesellschaft
Voraussetzung: 3. Studienjahr 3 Credits vom BIOL oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs untersucht die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und menschlichen Gesellschaften von der Einführung der Landwirtschaft bis heute. Es beinhaltet die Betrachtung der Evolution der Gefäßpflanzen, insbesondere der für die Land- und Forstwirtschaft wichtigen Pflanzen. Es betont die Ursprünge der Landwirtschaft auf verschiedenen Kontinenten und diskutiert die wirtschaftliche Botanik und die heutige kommerzielle Nutzung von Pflanzen. Es berücksichtigt auch die Wechselbeziehungen zwischen Pflanzen und Gesellschaften in diätetischen, kulturellen und religiösen Konnotationen. Schließlich betrachtet der Kurs die gegenwärtige oder potenzielle weltweite Nahrungsmittelknappheit und mögliche Wege, diese zu lindern. (Format: Vorlesung 3 Stunden)

BIOL 3941 (3.00)
Pflanzenphysiologie
Voraussetzung: 3 Credits aus BIOL 2301, BIOC 2001 oder Genehmigung des Instituts
Dieser Kurs bietet eine allgemeine Einführung in die Physiologie der Pflanzen. Zu den diskutierten Themen gehören Photosynthese, von der Ebene des Lichteinschlusses bis zur Fixierung von Kohlendioxid Translokation von Zuckern und der Speicherung von energiereichen Nahrungsreserven Transpiration und Wasserverlust aus Blättern Wasseraufnahme und -transport innerhalb der Pflanzenabwehr durch Wahrnehmung biotischer oder abiotischer Stress auf die Pflanzenreaktion und die mineralische Ernährung, einschließlich der Aufnahme, des Transports, der Verteilung und der Verwendung von Nährstoffen. (Format: Vorlesung 3 Stunden, Labor 3 Stunden)

BIOL 3991 (3.00)
Spezialthema Biologie
Dieser Studiengang konzentriert sich entweder auf Themen, die im aktuellen Studienangebot eines Fachbereichs oder Studiengangs nicht abgedeckt sind, oder bietet die Möglichkeit, einen Studiengang zu pilotieren, der für die Aufnahme in den regulären Studiengang in Betracht gezogen wird. [Anmerkung 1: Voraussetzung, die von der Abteilung/dem Studiengang festgelegt wird, wenn das Thema und die Stufe bekannt gegeben werden. Hinweis 2: Wenn ein Fachbereich oder ein Studiengang einen Studiengang unter dieser Bezeichnung anbieten möchte, muss er dem Dekan in der Regel mindestens drei Monate im Voraus Studieninformationen übermitteln. Hinweis 3: Studierende können sich mehrfach für BIOL 3991 anmelden, sofern die Thematik unterschiedlich ist.] (Format: Variabel)

BIOL 4101 (3.00)
Verhaltensökologie
Voraussetzung: BIOL 2811 BIOL 3401 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs untersucht die Beziehungen zwischen Tierverhalten und Ökologie und betont die Verhaltensstrategien, die Tiere entwickelt haben, um ihr Überleben zu verbessern und ihren Fortpflanzungserfolg zu steigern. Es diskutiert Themen wie Nahrungssuche, Leben in Gruppen, Ressourcenverteidigung, sexuelle Selektion, elterliche Fürsorge, Paarungssysteme, Altruismus und Kommunikation innerhalb eines neodarwinistischen Rahmens unter Verwendung von Optimalitätsmodellen und Spieltheorie. (Format: Vorlesung 3 Stunden)

BIOL 4111 (3,00)
Feldökologie
Voraussetzung: BIOL 2101 3 Credits aus BIOL 2701, 4711 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs führt in die Grundprinzipien der Feldökologieforschung, des experimentellen Designs und der Datenanalyse ein eine breite Palette von Umgebungen während der Feldwoche. [Anmerkung 1: Dieser Kurs erfordert eine 6-tägige Feldkurskomponente im August sowie regelmäßige Klassentreffen während des Semesters.] (Format: Feldkurs, Vorlesung 3 Stunden)

BIOL 4151 (3,00)
Virologie
Voraussetzung: 3. Studienjahr BIOL 2201 3 Credits aus BIOL 2811, BIOC 3041 oder Genehmigung des Departements
In diesem Kurs werden die grundlegenden Eigenschaften von Tier-, Bakterien- und Pflanzenviren vorgestellt. Es behandelt die biochemischen genetischen Merkmale der viralen Struktur und Replikation, Techniken zur Untersuchung von Viren, die Evolution von Viren, die Zellabwehr gegen Viren, die Geschichte der Viren als Erreger von Tier- und Pflanzenkrankheiten und aktuelle antivirale Strategien. Es diskutiert auch die Rolle von Viren als Agenten des evolutionären Wandels und ihre Verwendung in der modernen Molekulargenetik. [Anmerkung 1: Dieser Kurs ist mit BIOC 4151 kreuzgelistet und kann daher in beiden Disziplinen als drei Credits angerechnet werden.] (Format: Vorlesung 3 Stunden)

BIOL 4201 (3,00)
Umweltphysiologie und Biochemie von Tieren
Voraussetzung: 3 Credits aus BIOL 3201, BIOL 3211, BIOC 2001 oder Genehmigung des Instituts
Dieser Kurs in Tierphysiologie untersucht die physiologischen und biochemischen Strategien, mit denen Tiere in verschiedenen, oft stressigen Umgebungen überleben. Unter Verwendung von Primärliteratur aus wissenschaftlichen Zeitschriften konzentriert sich dieser Kurs auf die Reaktion von Tieren auf Umweltbedingungen wie Hypoxie/Anoxie, hohe und niedrige Temperaturen, Überwinterung, Höhe, Umweltschadstoffe, osmotischer Stress und UV-Strahlung. [Anmerkung 1: Wöchentliche Diskussionsgruppen zu aktuellen Themenpapieren sind ein wichtiger Bestandteil dieses Kurses. Hinweis 2: Dieser Kurs ist mit BIOC 4201 kreuzgelistet und kann daher in beiden Disziplinen als drei Credits angerechnet werden.] (Format: Seminar 3 Stunden) (Ausschluss: Jede Version von BIOL 4201, die zuvor mit einem anderen Titel angeboten wurde)

BIOL 4211 (3,00)
Endokrinologie
Voraussetzung: BIOL 3211 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs untersucht die Hormonsysteme von Wirbeltieren und kann einige Aspekte von Wirbellosensystemen untersuchen. Es diskutiert Hormonsynthese, Sekretionskontrolle, Sekretionsweisen und allgemeine Wirkmechanismen und untersucht spezifische Hormonsysteme wie die Hypothalamus-Hypophysen-Achse, das Renin-Angiotensin-System und die Hypophyse-Nebennieren-Achse. (Format: Seminar 3 Stunden)

BIOL 4221 (3,00)
Bewegungsphysiologie
Voraussetzung: 3 Credits aus BIOL 3201, BIOL 3211 oder Genehmigung des Instituts
Dieser Kurs erforscht die metabolischen und systemischen Grundlagen von Training, die Physiologie von Training und Leistung und Bewegung unter besonderen Bedingungen wie Umwelt und Krankheit. Neben dem Studium dieser Grundlagen der Trainingsphysiologie befasst sich dieser Kurs mit den neuesten Forschungen und Fortschritten auf diesem Gebiet. (Format: Seminar 3 Stunden)

BIOL 4311 (3,00)
Neurophysiologie
Voraussetzung: BIOL 3211 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs untersucht fortgeschrittene Themen der Neurophysiologie, einschließlich Neuro- und Glioübertragung, Physiologie und Plastizität von Synapsen und neuronalen Schaltkreisen, die dem Verhalten zugrunde liegen. Es behandelt auch die Entwicklung und Pathophysiologie des Nervensystems. (Format: Vorlesung/Seminar 3 Std.) (Ausschluss: BIOL 4991 Special Topics in Neurophysiology)

BIOL 4371 (3.00)
Fortgeschrittene Themen in Meereswissenschaften
Voraussetzung: BIOL 2101 im dritten Jahr oder Genehmigung des Instituts
Dieser Kurs bietet die Möglichkeit zur eingehenden Erforschung ausgewählter Themen aus den aktuellsten und fortschrittlichsten Bereichen der Meereswissenschaften, wie Fortschritte in der biologischen, geologischen, chemischen und physikalischen Ozeanographie und Methoden wie der genomische Ansatz zur Bewertung der ozeanischen Biodiversität und die Anwendung von Remote Technologie in der Meeresforschung der Tiefsee. Der Kurs betont spezifische Themen von globaler Bedeutung wie die Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre, integrative und nachhaltige Aquakultur, invasive Biologie und Meeresverschmutzung. (Format: Vortrag 3 Stunden) (Ausschluss: Jede zuvor mit einem anderen Titel angebotene Version von BIOL 4371)

BIOL 4401 (3,00)
Evolutionsbiologie von Sex und Fortpflanzung
Voraussetzung: BIOL 2811 BIOL 3401 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs behandelt die Evolution der Sexualität und verschiedene Fortpflanzungsmuster. Themen sind: Was ist Sex, sexuelle und asexuelle Fortpflanzung, asexuelle Fortpflanzung und Parthenogenese, die Rolle des Geschlechts in der Evolution, Mullers Ratchet vs. the Red Queen, genetische und epigenetische Geschlechtsbestimmung, sexuelle Selektion, Paarungsstrategien von Männchen und Weibchen, Rolle von Parasiten in der Evolution des Geschlechts, Befruchtungsstrategien und Hermaphroditismus. (Format: Seminar 3 Stunden)

BIOL 4411 (3.00)
Ökologie und Biologie der Fische
Voraussetzung: BIOL 2101 BIOL 2401 3 Credits aus BIOL 2701, GENS 2431, MATH 2311, PSYC 2001 oder Genehmigung des Instituts
Dieser Kurs bietet einen Überblick über die allgemeine Biologie von fischähnlichen Chordaten, mit besonderem Schwerpunkt auf den Knochenfischen und auf Anpassungen, die es Fischen ermöglicht haben, die evolutionär erfolgreichste Gruppe von Wirbeltieren zu werden. Themen sind: Aspekte von Form und Funktion, Ökologie und Verhalten sowie Fischereimanagement. (Format: Vorlesung 3 Std., Labor 3 Std./Exkursion 3 Std.) (Ausschluss: BIOL 3411)

BIOL 4621 (3.00)
Gene, Zellen und Krankheiten
Voraussetzung: BIOL 3661 oder Genehmigung des Departements
Dieser Kurs untersucht die genetische Grundlage zellulärer Prozesse und Organellen wie Telomere, Kernarchitektur, Zytoskelett, intrazellulärer Transport, extrazelluläre Matrix, Zellzykluskontrolle und den Beitrag zu Krankheiten, wenn diese Prozesse abnormal sind. (Format: Vorlesung 3 Stunden) (Ausschluss: BIOL 3991 Gene, Cells, and Disease BIOL 4991 Genes, Cells, and Disease)

BIOL 4711 (3.00)
Erweitertes Design und statistische Analyse
Voraussetzung: 3 Credits aus MATH 2311, PSYC 2011, BIOL 2701, GENS 2431 oder Genehmigung des Instituts
In diesem Kurs wird untersucht, wie Studien mit klaren Hypothesen entworfen, geeignete statistische Methoden ausgewählt und die Analysen durchgeführt werden, wobei die Techniken auf reale Datensätze angewendet werden. Es überprüft eine Vielzahl statistischer Techniken, einschließlich fortgeschrittener ANOVA und Regression, Techniken für kategoriale Daten, Resampling-Methoden, MANOVA und andere multivariate Techniken. Es berücksichtigt auch experimentelle Designfragen wie Power-Analyse und Pseudoreplikation. [Hinweis: Während der gesamten Lehrveranstaltung werden Datenanalysen mit R durchgeführt.] (Format: Vorlesung 3 Std., Labor 2 Std.)

BIOL 4903 (3,00)
Aktuelle Fortschritte in der Biologie
Coreq: BIOL 4990
Ein Seminarkurs für Honours-Studenten der Biologie, der eine breite Palette von Themen aus der aktuellen Literatur in allen Bereichen der Biologie kritisch bewertet. Von den Studierenden wird erwartet, dass sie Seminare zu Themen außerhalb ihres Fachgebiets halten und vorläufige Ergebnisse der Abschlussarbeit präsentieren. (Format: Vorlesung/Seminar 3 Stunden)

BIOL 4950 (6.00)
Selbstständiges Studium der Biologie
Dieser Kurs ermöglicht es älteren Studenten, unter der Leitung von Fakultätsmitgliedern, ihr Interesse in Bereichen zu verfolgen, die von anderen Kursen nicht oder nicht umfassend durch ein unabhängiges Studienprogramm abgedeckt werden. [Anmerkung 1: Genehmigung des Fachbereichs-/Programmberaters. Die Studierenden müssen das Einverständnis einer betreuenden Lehrkraft einholen und sich vor dem letzten Ummeldetag des Semesters, in dem die Lehrveranstaltung belegt wird, für die Lehrveranstaltung anmelden. Hinweis 2: Ein Studiengang zum Selbstständigen Studium kann keine Inhalte des regulären Studienangebots duplizieren. Hinweis 3: Studierende können sich mehrfach für BIOL 4950/51 anmelden, sofern die Thematik unterschiedlich ist.] (Format: Selbststudium)

BIOL 4951 (3,00)
Selbstständiges Studium der Biologie
Dieser Kurs ermöglicht es älteren Studenten, unter der Leitung von Fakultätsmitgliedern, ihr Interesse in Bereichen zu verfolgen, die von anderen Kursen nicht oder nicht umfassend durch ein unabhängiges Studienprogramm abgedeckt werden. (Format: Selbstständiges Studium) [Anmerkung 1: Genehmigung des Fachbereichs-/Programmberaters. Die Studierenden müssen das Einverständnis einer betreuenden Lehrkraft einholen und sich vor dem letzten Ummeldetag des Semesters, in dem die Lehrveranstaltung belegt wird, für die Lehrveranstaltung anmelden. Hinweis 2: Ein Studiengang zum Selbstständigen Studium kann keine Inhalte des regulären Studienangebots duplizieren. Hinweis 3: Studierende können sich mehr als einmal für BIOL 4950/51 anmelden, sofern die Thematik unterschiedlich ist.]

BIOL 4990 (6.00)
Diplomarbeit
Coreq: BIOL 4903
Die Dissertation erfordert einen Bericht über eine oder mehrere Labor-, Bibliotheks- oder Felduntersuchungen, die in Absprache mit und unter der Leitung eines geeigneten Mitarbeiters durchgeführt wurden. Dieser Kurs ist nur für Kandidaten für Honours in Biologie in ihrem Abschlussjahr zugänglich. Für den erfolgreichen Abschluss eines Honours Degree ist in diesem Studiengang die Mindestnote B erforderlich. [Anmerkung 1: Zustimmung des betreuenden Mitarbeiters vor Anmeldung und Zustimmung des Studiengangsberaters erforderlich] (Format: Selbständiges Studium/Thesis)

BIOL 4991 (3.00)
Spezialthema Biologie
Dieser Studiengang konzentriert sich entweder auf Themen, die im aktuellen Studienangebot eines Fachbereichs oder Studiengangs nicht abgedeckt sind, oder bietet die Möglichkeit, einen Studiengang zu pilotieren, der für die Aufnahme in den regulären Studiengang in Betracht gezogen wird. [Anmerkung 1: Voraussetzung, die von der Abteilung/dem Studiengang festgelegt wird, wenn das Thema und die Stufe bekannt gegeben werden. Hinweis 2: Wenn ein Fachbereich oder ein Studiengang einen Studiengang unter dieser Bezeichnung anbieten möchte, muss er dem Dekan in der Regel mindestens drei Monate im Voraus Studieninformationen übermitteln. Hinweis 3: Studierende können sich mehrfach für BIOL 4991 anmelden, sofern die Thematik unterschiedlich ist.] (Format: Variabel)


Pencegahan dan pengobatan [ Sonnen | Sonnensonne ]

Karena biasanya memanipulasi mekanisme sel induknya untuk bereproduksi, virus sangat sulit untuk dibunuh. ⏨] Metode pengobatan sejauh ini yang dianggap paling efektif adalah vaksinasi, untuk merangsang kekebalan alami tubuh terhadap prosa infeksi, dan obat-obatan und yang mengatasi gejala akibat infeksi virus. ⏨]

Penyembuhan penyakit akibat infeksi virus biasanya disalah-antisipasikan dengan penggunaan antibiotikum, yang sama sekali tidak mempunyai pengaruh terhadap kehidupan virus. ⏨] Efek samping penggunaan antibiotikum adalah resistansi bakteri terhadap antibiotikum. ⏨] Karena itulah diperlukan pemeriksaan lebih lanjut untuk memastikan apakah suatu penyakit disebabkan oleh bakteri atau virus. ⏨]

Infeksi virus atau bakteri pada umumnya menimbulkan demam, hanya saja infeksi bakteri akan meningkatkan kadar Sel darah putih, sedangkan infeksi virus tidak, tetapi infeksi bakteri, virus bahkan jamur akan meningkatkan kadar), I Pemeriksaan Sel darah putih ataupun IgM tidak dapat menentukan jenis penyakitnya, tetapi kedua pemeriksaan tersebut hanya mengindikasikan penyakit tersebut diakibatkan oleh apa. Jika biaya menjadi kendala, maka pemeriksaan Sel darah putih saja sudah cukup, karena infeksi virus tidak dapat diobati dengan anti-biotik dan pada umumnya infeksi virus akan sembuh dengan sendirinya (virus self limiting life) dengan istirahat di ranjirahat pen dan gizi yang cukup, kecuali HIV di mana untuk diagnose awal diperlukan pemeriksaan CD4 yang relatif murah.


Schau das Video: Андрей Журавлев: Палеонтология на грани невозможного (Januar 2022).