DeepH: Horizontale Evolution von unkultivierten Archaeen aus der tiefen Biosphäre

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Probst
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536218626

Die tiefe Biosphäre enthält ca. 70% der Prokaryoten auf der Erde, jedoch gibt es verhältnismäßig wenig Wissen über die Evolution der Mikroben in jenen Ökosystemen, die vor allen Dingen durch die Abwesenheit von Sonnenlicht, von Sauerstoff, weitestgehend von (komplexen) Nährstoffen geprägt sind. Einerseits konnte kürzlich gezeigt werden, dass manche Genome von verschiedenen Organismen aus dem terrestrischen Untergrund stark konserviert sein können, was einen langsamen evolutionären Prozess vorhersagt. Andererseits wurden in jenen Studien nur die konservierten Gene betrachtet. Manche Archaeen aus dem tiefen Untergrund besitzen Transposons, welche zu Stammheterogenität innerhalb einer Population und damit zu Diversifizierung führen kann. Schlussendlich ist eine klare Analyse hinsichtlich des Ausmaßes und der Dynamik von Genomevolution im terrestrischen Untergrund in der Literatur nicht vorhanden. Im Projekt DeepH, werden wir die Fragestellung beantworten, inwiefern transposable Elemente (TEs) einen Einfluss auf die Evolution und Genomplastizität von Archaeen aus der tiefen Biosphäre hat. Dazu werden wir Genome mittels neuester Sequenziertechnologie auflösen und Information aus Hi-C Metagenomik und Methylierungsmustern nutzen, um möglichst komplette Genome von Candidatus Altiarchaea von verschiedenen unterirdischen Ökosystemen auf der Erde zu rekonstruieren. Diese Archaeen wurden als Modellorganismen ausgewählt, da sie sehr abundant in ihrem Ökosystem sein können, eine strikte Biogeographie zeigen und viele Gene von bakteriellem Ursprung außerhalb ihres konservierten Genbereichs haben, wie wir kürzlich zeigten. Nachdem die Genome aufgelöst sind (momentane Genome in Datenbanken sind extrem fragmentiert), werden wir die TEs hinsichtlich horizontalem Gentransfer untersuchen, indem wir deren Herkunft zusammen mit vorgehsagten Viren, Plasmiden, und anderen Genomen aus den verschiedenen Ökosystemen (von Amerika über Europa nach Asien) analysieren und global vergleichen. Wir werden ebenso die Genomstrukturen, -umordnungen, Transpositionen, und auch die allgemeine Genomarchitektur von Ca. Altiarchaea entschlüsseln. Final werden die Anwesenheit und Diversität von TEs der Stämme auf Einzelzellebene mittels Einzelmolekülfluoreszenzmikroskopie analysiert. Wir erwarten die Entdeckung von Genen bakteriellen Ursprungs auf TEs in Ca. Altiarchaea sowie Ökosystem-spezifische TEs, die die kurzzeitige Evolution des Genoms vorantreiben und damit das Kerngenom nicht verunreinigen. Insgesamt wird das Projekt DeepH substantiell zu einem besseren Verständnis der Genomevolution und Genomreorganisation von Archaeen, v.a. Ca. Altiarchaea, aus der tiefen Biosphäre beitragen und damit einen wesentlichen Modus der Evolution in diesen Ökosystemen entschlüsseln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen