Development of novel mass spectrometric visualization approaches for the metabolic interaction of microbial communities in marine environments
Microbial Ecology and Applied Microbiology
Metabolism, Biochemistry and Genetics of Microorganisms
Final Report Abstract
Marine Mikroorganismen sind maßgeblich an allen biogeochemischen Prozessen unserer Ozeane beteiligt und schaffen die biochemische Grundlage für gelöste organische Verbindungen (Dissolved Organic Matter, DOM). Neben dem grundlegenden Verständnis globaler Ökosysteme, ist die Erforschung mariner, mikrobieller Gemeinschaften von großer Bedeutung für den Menschen, wie zum Beispiel für die Vorhersage von Veränderungen des globalen Kohlestoffkreislaufs. Neben der Erfassung von mikrobieller Vielfalt in den Ozeanen, stellt die chemische Analyse von DOM und Visualisierung von mikrobieller Interaktion einen wichtigen Schritt für das Verständnis mariner Ökosysteme dar. Dank der stetig fortschreitenden Verbesserung von Massenspektrometern hat die Analyse von Metaboliten (Metabolomics) Einzug in viele Forschungsbereiche erhalten. Im Vergleich zu den gegenwertigen Analyseverfahren für DOM, welche Moleküle typischerweise durch ihre exakte Masse charakterisieren, nutzen neue Ansätze meist Tandem-Massenspektrometrie (MS/MS). Der inhärente Vorteil dieser Methode gegenüber klassischen Exaktmassenbestimmungen ist die wesentlich höhere Selektivität, die auf Grund der strukturtypischen Fragmentspektren beruht. Bekannte Moleküle können so besser identifiziert und gegenüber isobaren Verbindungen unterschieden werden. Der Schwerpunkt dieses Projektes lag auf der Etablierung eines MS/MS-Arbeitsablaufes zur Untersuchung von DOM aus marinen Systemen. In einer ersten Machbarkeitsstudie wurde ein Extraktionsverfahren optimiert sowie eine LC-MS/MS Methode und ein Datenanalyseablauf entwickelt, welche zusammen in den darauf folgenden Studien angewandt wurden bzw. werden. Die erste Anwendung dieses Arbeitsablaufs befasste sich mit der Analyse von Meerwasser-Proben von der Küste San Diegos (Kalifornien, USA). Neben einer umfassenden Inventarisierung des DOM-Pools konnten wir eine Veränderung der DOM-Zusammensetzung aufgrund von veränderten Wetterverhältnissen (Regen), sowie der räumlichen Nähe von Probenahmestellen zu potentieller, anthropogener Verschmutzung zeigen. In einer zweiten großangelegten Feldkampagne im California Current Ecosystem, konnten wir den hier entwickelten Methodenablauf anwenden und die Veränderung des DOM-Pools während einer Planktonblüte untersuchen. Die chemische Zusammensetzung von DOM veränderte sich hierbei signifikant während der Entwicklung der Blüte. Dabei konnten wir verschiedene Metabolite zu den potenziell produzierenden Mikroorganismen zuordnen und mögliche chemische Transformationen innerhalb des DOM-Pools aufzeigen. Die Ergebnisse liefern hierbei grundlegende Erkenntnisse von biochemischen Interaktionen mariner, mikrobieller Gemeinschaften. Neben der weiteren Untersuchung der daraus resultierenden Hypothesen, befinden sich derzeit zahlreiche Folgestudien in anderen marinen Ökosystemen sowie Laborversuche in der Durchführung, die auf die Arbeitsabläufe dieses Projektes aufbauen. Neben der Anwendung in unseren Studien, hoffen wir, dass die hier etablierten Methoden auch in anderen Forschergruppen und Ökosystemen Anwendung finden und einen Beitrag zu einem globalen Ökosystembiologie-Konzept leisten können.
Publications
- High-resolution liquid chromatography tandem mass spectrometry enables large scale molecular characterization of dissolved organic matter. Frontiers in Marine Science, 2017
Petras D, Koester I, Da Silva RR, Stephens B, Haas AF, Nelson CE, Kelly LW, Aluwihare LI, Dorrestein P
(See online at https://doi.org/10.3389/fmars.2017.00405) - Meta-mass shift chemical profiling of metabolomes from coral reefs. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017, 114, 11685-11690
Hartmann AC, Petras D, Quinn RA, Protsyuk I, Archer FI, Ransome EJ, Williams GJ, Bailey B, Vermeij MJA, Alexandrov TA, Dorrestein P, Rohwer FL
(See online at https://doi.org/10.1073/pnas.1710248114) - Significance estimation for large scale metabolomics annotations by spectral matching. Nature Communications, 2017, 8, 1494
Scheubert K, Hufsky F, Petras D, Wang M, Nothias LF, Duehrkop K, Bandeira N, Dorrestein P, Boecker S
(See online at https://doi.org/10.1038/s41467-017-01318-5) - Decomplexing Dissolved Organic Matter: Linking Exometabolomes to Ecosystems. Gordon Research Conferences – Chemical Oceanography 2019, Holderness, USA
Petras D
