Lars Fieseler

• Marine Schwämme (Porifera) sind sessile Invertebraten, deren Biomasse bis zu 60% von assoziierten Mikroorganismen gebildet werden kann. Dieses mikrobielle Konsortium ist phylogenetisch komplex, die monophyletischen Abstammungslinien sind hochgradig wirtsspezifisch und bisher konnte kein Vertreter dieser Mikroflora kultiviert werden. In seiner Zusammensetzung unterscheidet sich dieses Konsortium sowohl von der Mikroflora mariner Sedimente, als auch vom marinen Bakterioplankton. Durch 16S rRNA Sequenzanalysen und Fluoreszenz in situMarine Schwämme (Porifera) sind sessile Invertebraten, deren Biomasse bis zu 60% von assoziierten Mikroorganismen gebildet werden kann. Dieses mikrobielle Konsortium ist phylogenetisch komplex, die monophyletischen Abstammungslinien sind hochgradig wirtsspezifisch und bisher konnte kein Vertreter dieser Mikroflora kultiviert werden. In seiner Zusammensetzung unterscheidet sich dieses Konsortium sowohl von der Mikroflora mariner Sedimente, als auch vom marinen Bakterioplankton. Durch 16S rRNA Sequenzanalysen und Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) konnte während dieser Arbeit das neue Candidatus Phylum Poribacteria kultivierungsunabhängig identifiziert werden. Poribacteria bilden definitionsgemäß ein unabhängiges Candidatus Phylum, da sie weniger als 75% Sequenzhomologie innerhalb der 16S rRNA zu anderen prokaryontischen Phyla zeigen. Sie sind verwandt mit Planctomycetes. Der Name „Poribacteria“ wurde gewählt, da diese Organismen spezifisch mit marinen Porifera assoziiert zu sein scheinen. Bisher konnten Poribacteria in Porifera der Ordnungen Verongida, Haplosclerida und Lithistida nachgewiesen werden, während sie in den Ordnungen Poecilosclerida, Agelasida, Halichondrida und Hadromerida nicht nachweisbar waren. Im marinen Sediment und im Bakterioplankton wurden Poribacteria ebenfalls nicht detektiert. Durch FISH Analysen wurde deutlich, dass Poribacteria in A. aerophoba (Verongida) eine abundante Fraktion der assoziierten Mikroflora bilden. Da Vertreter des mikrobiellen Konsortiums mariner Schwämme bisher nicht kultiviert werden konnten, wurde das „Metagenom“ dieser Mikroorganismen durch die ex situ Isolierung hoch molekularer DNA direkt kloniert. Eine Charakterisierung von Metagenomen erlaubt unabhängig von der Kultivierbarkeit der entsprechenden Organismen direkte Einblicke in deren Genotyp und liefert so eine erste Verbindung zwischen phylogenetischer Diversität und physiologischen Eigenschaften. Für die Erstellung der Metagenombank wurde mikrobielle Biomasse aus A. aerophoba vom Mesohyl getrennt und lysiert und die gereinigte DNA in Fosmid Vektoren in E. coli kloniert. Die resultierende Metagenombank APAE02 umfasst ca. 1,1 Gb hoch molekularer prokaryontischer genomischer DNA. Eine Bestimmung der in dieser Metagenombank archivierten mikrobiellen Diversität lieferte zusätzlich zu bekannten 16S rRNA kodierenden Loci aus Cyanobacteria, Chloroflexi, Acidobacteria und Gammaproteobacteria einen 16S rRNA kodierenden poribakteriellen Fosmidklon. Die Annotation der flankierenden genomischen Regionen des 16S rRNA Gens führte zur Detektion eines unterbrochenen rrn Operons, eines wahrscheinlich neuen Transporters, einer neuen Molybdän enthaltenen Oxidoreduktase und orthologer „open reading frames“ (ORFs) aus Rhodopirellula baltica (Planctomycetes) in Poribacteria. Die Charakterisierung dieses 38,7 kb DNA Fragmentes stellt die Basis für weitere genomische Untersuchungen an Poribacteria dar. Metagenombanken repräsentieren eine reichhaltige Quelle zum Nachweis neuer Enzyme oder Biosyntheseoperons. Somit konnten in der Metagenombank APAE02 neuartige Typ I Polyketidsynthasen (PKS) nachgewiesen werden. Phylogenetische Analysen der Ketosynthasedomäne zeigten, dass diese Systeme nicht herkömmlichen Typ I cis-AT bzw. trans-AT (Acyltransferase) PKS Systemen zugeordnet werden können. Die kodierenden Bereiche der PKS Systeme sind mit nur ca. 10 kb relativ klein. Im Gegensatz zu der Organisation sich wiederholender multipler Module herkömmlicher PKS Typ I Systeme bestehen sie nur aus einem einzigen Modul und könnten vermutlich bei der Synthese von Fettsäuren beteiligt sein. Die Struktur und Funktion der Produkte ist bisher unbekannt. Generell ist durch in silico Analysen eine Abbildung des „funktionellen Repertoires“ unkultivierter Mikroorganismen möglich. Es wäre denkbar, dass durch weitere Studien fundierte Einblicke in den Genpool der Poribacteria und anderer Organismen des mikrobiellen Konsortiums aus Poriferen eröffnet werden, um metabolische Eigenschaften zu rekonstruieren und die Mechanismen zur Interaktion mit dem Wirt verstehen zu können.…
• Marine sponges (Porifera) are sessile invertebrates which are associated with a phylogenetically complex, yet host-specific microbial consortium. The microorganisms can contribute up to 60% of the sponge biomass. None of the corresponding bacteria could be cultivated applying standard laboratory culturing techniques. Among this microbiota 16S rRNA gene sequence analyses and fluorescence in situ hybridization (FISH) revealed the detection of a novel candidate phylum, termed Poribacteria, independently of cultivation. By definition PoribacteriaMarine sponges (Porifera) are sessile invertebrates which are associated with a phylogenetically complex, yet host-specific microbial consortium. The microorganisms can contribute up to 60% of the sponge biomass. None of the corresponding bacteria could be cultivated applying standard laboratory culturing techniques. Among this microbiota 16S rRNA gene sequence analyses and fluorescence in situ hybridization (FISH) revealed the detection of a novel candidate phylum, termed Poribacteria, independently of cultivation. By definition Poribacteria represent a candidate phylum, because they exhibit less than 75% similarity with 16S rRNA sequences of other bacterial phyla. They are moderately related to Planctomycetes. The name “Poribacteria” was chosen to acknowledge their specific association with marine Porifera. Poribacteria have been detected in sponges of the orders Verongida, Haplosclerida and Lithistida, while they could not be detected in Poecilosclerida, Agelasida, Halichondrida and Hadromerida and neither in marine sediments or bacterioplankton. FISH analyses implied that Poribacteria represent an abundant and metabolically active part of the microbial consortium of A. aerophoba. Because none of the sponge-associated microorganisms have been cultivated so far, the ex situ isolation and cloning of the corresponding “metagenome” was performed. Metagenomics enables first insights into the biology and genotypes of so far uncultured microbes. For the construction of the DNA library microbial biomass was separated from the mesohyl of A. aerophoba and lysed, followed by cloning of the purified DNA into a fosmid vector in E. coli. The constructed metagenome library harbours ca. 1.1 Gb of procaryotic high molecular weight genomic DNA. A determination of the phylogenetic diversity filed in this library resulted in the detection of sponge specific microbial lineages of the Cyanobacteria, Chloroflexi, Acidobacteria und Gammaproteobacteria as well as a poribacterial 16S rRNA gene encoding clone. The annotation of the 16S rRNA gene flanking genomic regions revealed an unlinked rrn operon, a putatively novel transporter, channel or pore, a new molybden containing oxidoreductase and orthologous open reading frames (ORFs) of Rhodopirellula baltica (Planctomycetes) in Poribacteria. The 38.7 kb poribacterial clone now provides a starting point for further genomic studies. Metagenome libraries represent a rich source for the detection of novel enzymes or biosyntheses operons. Therefore the metagenome library was further screened which led to the discovery of a novel kind of type I polyketidesynthases (PKS) among the sponge microbiota. Phylogenetic analyses suggested that the PKS systems do not belong to the conventional cis-AT or trans-AT (acyltransferase) PKS systems. The coding regions are relatively small (10 kb). The systems contain only one module which is in contrast to the iterative multiple modul structure of conventional PKS type I systems. The sponge-derived PKS systems may be involved in the syntheses of fatty acids. In general in silico analyses allows the documentation of genomic features of uncultured microbes. Further sequencing of metagenome clones could provide additional insights into the genepool of Poribacteria and other members of the sponge microbial consortium, which could lead to the description of metabolic properties and the mechanisms behind their interaction with the sponge host.…