Ökologie und Evolution der Archaea, Umweltgenomik

Archaea entwickelten sich als eine von Bakterien unabhängige Abstammungslinie vor etwa 4 Milliarden Jahren. Obwohl sie hauptsächlich als Bewohner extremer Standorte bekannt sind, spielen sie auch eine wichtige Rolle in biogeochemischen Kreisläufen gemäßigter Ökosysteme wie Ozeane, Seen, Sedimente und Böden. Darüber hinaus ist ihre Rolle in der frühen Evolution der ersten komplexeren Lebensformen unbestritten und erhält aufgrund der jüngsten Entdeckungen neuartiger archaealer Abstammungslinien viel Aufmerksamkeit. In diesem Projekt werden zwei Gruppen von Archaea untersucht, die eine wichtige ökologische und/oder evolutionäre Rolle spielen, die Ammoniak oxidierenden Archaea und Asgardarchaea.
Ammoniak oxidierende Archaeen wurden in aquatischen und terrestrischen Ökosystemen entdeckt und sind zusammen mit bestimmten Bakteriengruppen für die Umwandlung von Stickstoffverbindungen durch Oxidation von Ammoniak zu Nitrit verantwortlich. Ihre Aktivität beeinflusst direkt und indirekt die Verfügbarkeit von Nährstoffen für Pflanzen und kann die Produktion des starken Treibhausgases Lachgas aus dem Boden anheizen. Nitrososphaera viennensis, ein Ammoniak oxidierendes Archaeon das in Wien isoliert wurde, wird als
Modellorganismus dienen, um die Physiologie und Biochemie von Ammoniak oxidierenden Archaeen aus Böden zu untersuchen. Insbesondere werden seine metabolischen Fähigkeiten die über die aerobe Ammoniakoxidation hinausgehen erforscht, sowie bestimmte Proteine, von denen wir annehmen, dass sie für die erfolgreiche Ausbreitung der Organismengruppe in so viele aerobe Ökosysteme relevant waren.
Die zweite zu untersuchende Gruppe sind Asgardarchaea, die erst 2015 als nächste Verwandte zu den komplexen Organismen entdeckt wurden, d. h. eine Schwestergruppe aller Pflanzen, Tiere und Pilze (zusammen als Eukaryoten bezeichnet) darstellen. Asgardarchaea enthalten Hunderte bisher nur in Eukaryoten bekannte Proteine und geben damit Hinweise auf die Evolution des letzten gemeinsamen Vorfahren der Eukaryoten.
Als neuer Modellorganismus dient Candidatus Lokiarchaeum ossiferum, den unsere Gruppe kürzlich aus anoxischen Meeressedimenten kultiviert hat. Die Charakterisierung seiner zellulären Eigenschaften, insbesondere seines dynamischen Zytoskeletts und der Fähigkeit zum Vesikeltransport und Membranumbau, wird zeigen, inwieweit Merkmale mit Eukaryoten geteilt werden. Dadurch soll die evolutionäre Entstehung komplexer Lebensformen aus
einfacheren Mikroorganismen beleuchtet werden.
Das Projekt wird auch ökologische Aspekte einbeziehen, indem die Verbreitung sowohl von Ammoniak oxidierenden Archaea als auch von Asgardarchaea in terrestrischen Umgebungen und Sedimenten studiert wird und Versuche zur Kultivierung weiterer Modellorganismen unternommen werden.