Forschungsbericht 2025 - Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie
Wie Bakterien Algen stärken
Ein hilfreicher Mieter
Samwise Gamgee ist eine beliebte Figur aus „Herr der Ringe“. Er liefert keine dramatischen Kämpfe gegen mächtige Gegner. Stattdessen macht er durch stete kleine Handlungen eine scheinbar unmögliche Reise möglich. Er unterstützt seine Gefährten, ohne selbst ins Rampenlicht zu rücken.
Ähnlich verhalten sich einige Mikroorganismen in der Natur – sie sind unscheinbar, aber unverzichtbar. Diese Mikroorganismen gibt es überall, sie fördern das Leben auf der Erde, indem sie den Kreislauf der Nährstoffe am Laufen halten. Außerdem sind sie für die Gesundheit und den Stoffwechsel größerer Organismen sehr wichtig, bei denen sie als Mieter leben.
Im Ozean etwa leben spezialisierte Bakterien auf Algen. Sie ernähren sich von den Zuckern, die die Algen abgeben. Dabei reinigen sie die Algenoberfläche, recyceln Nährstoffe und halten schädliche Mikroorganismen fern. Diese Bakterien nehmen nur wenig, aber ihre Aktivität könnte entscheidend sein dafür, dass die Algen gesund bleiben.
Leckereien mit Panzer: Nahrung für Spezialisten
Unsere Forschung beschäftigt sich mit Meeresbakterien, die sich von den Leckereien ernähren, die andere hinterlassen: Zucker, die von Algen produziert werden. Diese Zucker sind chemisch komplex und deswegen schwer abzubauen. Viele Organismen nutzen sie als Schutzschicht, um Mikroorganismen fernzuhalten.
Für die meisten Bakterien ist es zu aufwendig, diese „gepanzerten“ Zucker zu zerlegen. Sie bräuchten viel Energie und viele verschiedene Enzyme und riskieren auch noch, dass sich giftige Nebenprodukte anreichern. Ein gutes Beispiel für eine solche Schutzschicht sind die Polysaccharide im Seetang. Diese Glykane, kurz FCSPs, bestehen hauptsächlich aus Fucose, enthalten viele Sulfatgruppen und kommen in den Zellwänden von Mikro- und Makroalgen vor. Eine ähnliche Strategie findet sich in unserem Darm: Dort bedeckt Mucin, ein glykosyliertes Proteingel, die Darmschleimhaut und hält die meisten Bakterien fern.
Eine kleine Gruppe von Bakterien hat jedoch gelernt, diese komplexen Moleküle zu knacken und sich von ihnen zu ernähren. Einige Mitglieder der Bakterienstämme Planctomycetota und Verrucomicrobiota (PV) besitzen einzigartige Enzyme und „Mini-Fabriken“. Ihre Tätigkeit ist vermutlich entscheidend für den Abbau organischer Stoffe, die im Ozean normalerweise schwer abbaubar sind.
Es bleibt in der Familie: Die Akkermansiaceae
Ein großer Teil der aktuellen Forschung zum menschlichen Mikrobiom beschäftigt sich damit, wie Bakterien unsere Gesundheit beeinflussen – etwa, indem sie sie schützen, erhalten und sogar verbessern. Gut untersucht ist beispielsweise das Darmbakterium Akkermansia muciniphila. Es gehört zu den Verrucomicrobiota und ist darauf spezialisiert, das komplexe Mucin abzubauen, das unsere Darmwände auskleidet. Dieser Abbau zerstört die Schutzschicht jedoch nicht einfach, sondern ist Teil ihres ständigen Umbaus und ihrer Erneuerung. Dadurch hilft es, eine stabile Barriere zwischen Darminhalt und Körper zu erhalten [1].
Unsere Forschung konzentriert sich auf die aquatischen Verwandten von A. muciniphila. Sie leben in Seen und Ozeanen, teils in enger Verbindung mit Algen. Unsere Genomanalysen zeigen, dass sie verschiedene Enzyme besitzen, mit denen sie komplexe Zucker je nach Algenart maßgeschneidert abbauen können. Während die darmbewohnenden Akkermansiaceae auf den Abbau von Mucin spezialisiert sind, können ihre marinen Verwandten hochsulfatierte komplexe Glykane (FCSPs) zerlegen. Zusätzlich besitzen die meisten Familienmitglieder Enzyme, um Fucose abzubauen (Abb. 1, [1]).
Obwohl wir wissen, welche Gene die Akkermansiaceae für den Abbau komplexer Polysaccharide nutzen, ist über die genauen Mechanismen nur wenig bekannt. Kürzlich wurde in A. muciniphila ein Typ-IV-ähnlicher Pilus-Mechanismus entdeckt, der für die Bindung von Mucin verantwortlich ist. Dieses System ist in zwei sogenannten Mucin-Utilization-Loci (MUL) kodiert. Unsere strukturbasierten Analysen mithilfe von AlphaFold zeigen, dass mehrere Bestandteile des MUL-Systems der Darmbakterien auch bei Meeresbakterien vorkommen. Wir vermuten daher, dass marine Akkermansiaceae einen ähnlichen Mechanismus nutzen, um komplexe Algenzucker abzubauen – einen bewährten molekularen Weg, der den Erfolg dieser Bakteriengruppe, vom Meer bis in den Darm, erklärt.
Win-win im Mikrokosmos
Unsere Analysen von Hunderten metagenomischen Algenmikrobiomen – also der Gesamtheit der Gene aller Bakterien, die auf Algen leben – deuten darauf hin, dass PV-Bakterien zu den wenigen Bakterien gehören, die komplexe FCSPs abbauen können. Da diese spezialisierten Bakterien regelmäßig in Algenmikrobiomen vorkommen, vermuten wir, dass die Beziehung für mindestens einen der Partner vorteilhaft ist [2].
Eine solche positive Wechselwirkung zwischen den PV-Bakterien und ihren Wirten gibt es wahrscheinlich sowohl im Meer als auch im Darm. Ähnlich wie beim Mucin-Abbau im Darm könnten beim Zerlegen komplexer Algenzucker im Meer kleinere Zucker entstehen, die dann auch anderen Organismen zur Verfügung stehen. Diese „öffentlichen Güter” könnten das gesamte Mikrobiom fördern und dadurch – ähnlich wie Probiotika – den Algenwirt unterstützen.
Um diese Zusammenhänge besser zu verstehen, untersuchen wir aktuell die Rolle mariner PV-Bakterien an einem Modellsystem aus Bakterien und Braunalgen. Im Gegensatz zum Darm kann man bei der Forschung an Meeresorganismen die Interaktionen zwischen Bakterien und Algen direkt experimentell und in Echtzeit beobachten. Unser Ziel ist es, die chemische „Währung“ zu entschlüsseln, die die verschlungene Beziehung zwischen den spezialisierten Bakterien und ihren Algenwirten antreibt.
Unser Projekt „Ecological and evolutionary role of specialized bacteria in algae health and carbon sequestration“ wird seit 2025 durch einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrats (European Research Council, ERC) gefördert.
