Täuschend einfach: Winzige Meerestiere leben in ausgeklügelter Symbiose mit Bakterien

10.06.2019

Die Dunkle Materie der Mikroben lebt in einem der einfachsten Tiere, Trichoplax

Trichoplax, eines der einfachsten Tiere der Welt, lebt in einer innigen und sehr spezialisierten Symbiose mit zwei Arten von Bakterien. Die eine, Grellia, ist mit parasitischen Bakterien verwandt, die Typhus und Rocky-Mountain-Fleckfieber verursachen. Doch erstaunlicherweise scheint Grellia Trichoplax nicht zu schaden. Die zweite, Ruthmannia, sitzt in den Zellen, mit denen Trichoplax seine Nahrung verdaut. Beide Symbionten gehören wenig erforschten und wenig bekannten Bakteriengruppen an. Die Trichoplax-Symbiose bietet einen spannenden Einblick in diese „Dunkle Mikroben-Materie“. Die Studie von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie und der Universität Hawaii erscheint nun in der Zeitschrift Nature Microbiology.

Sieht aus wie ein Kartoffelchip: Trichoplax unter dem Mikroskop. (© Harald Gruber-Vodicka / Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie)

Trichoplax umgeben von Bakterien und Algen. (© Michael Hadfield / Universität Hawaii)

Trichoplax ist eines der einfachsten Tiere, das man sich vorstellen kann. Es sieht aus wie ein unförmiger kleiner Tropfen. Studienautorin Nicole Dubilier sagt, es erinnert sie an einen Kartoffelchip. Trichoplax lebt in warmen Küstengewässern auf der ganzen Welt und grast mikroskopisch kleine Algen ab, die auf Sand und Felsen leben. Das winzige Tier findet sich auch, von Aquarianern zumeist unbemerkt, in fast jedem Meerwasseraquarium mit Korallen.

Trichoplax gehört zusammen mit Schwämmen und Quallen zu einem der untersten Äste im Stammbaum der Tiere. Bis in die 70er Jahre war nicht einmal klar, ob Trichoplax überhaupt ein eigenständiges, ausgewachsenes Tier ist oder nur das Jungstadium einer Qualle. Die Tiere messen etwa einen halben Millimeter im Durchmesser und haben weder Mund, noch Darm, noch andere Organe. Sie bestehen aus nur sechs verschiedenen Arten von Zellen. Diese Einfachheit macht Trichoplax zu einem beliebten Modellorganismus für Biologen.

WissenschaftlerInnen vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen, der Universität Hawaii und der North Carolina State Universität haben nun herausgefunden, dass Trichoplax doch nicht so simpel gestrickt ist, wie es scheint. Es lebt in einer ausgeklügelten Symbiose mit äußerst ungewöhnlichen Bakterien.

Weniger ist mehr

Schon vor etwa 50 Jahren beobachtete der deutsche Zoologe Karl Grell erstmals Bakterien im Inneren von Trichoplax. Doch seitdem hatte sich niemand weiter mit ihnen beschäftigt. Die Gruppe um Harald Gruber-Vodicka, Niko Leisch und Nicole Dubilier vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie und Michael Hadfield von der Universität Hawaii hat die bakteriellen Untermieter von Trichoplax nun eingehend erforscht, indem sie ihre Genome sequenziert und mittels hochauflösender Mikroskopie untersucht haben, wo sie leben. "Obwohl Trichoplax so einfach ist, finden in seinen Zellen zwei unterschiedliche und ungewöhnliche Bakterien Platz", sagt Gruber-Vodicka. "Beide Symbionten sind sehr wählerisch – oder zellspezifisch, wie wir es nennen. Sie leben jeweils in nur einer Art von Wirtszelle."

Grellia - Der erste Symbiont im endoplasmatischen Retikulum

Der Symbiont Grellia, benannt nach dem Zoologen Karl Grell, ist im endoplasmatischen Retikulum (ER) von Trichoplax zu Hause. Bisher kannte man keinen Symbionten, der dauerhaft im ER eines Tieres lebt. Dieses Zellorganell spielt eine zentrale Rolle bei der Produktion von Proteinen und Membranen. Nachzuweisen, dass Grellia wirklich im ER wohnt, war äußerst schwierig. "Wir haben ein detailliertes dreidimensionales Modell des ER erstellt, um zu zeigen, dass Grellia darin lebt. Das gelang uns mithilfe des Elektronenmikroskops am Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden", erklärt Niko Leisch. "Andere parasitäre Bakterien ahmen die Struktur des ER nach, um ihren Wirten vorzugaukeln, dass sie harmlos sind. Unsere Bilddaten zeigten jedoch eindeutig, dass Grellia tatsächlich im Inneren des ER seines Wirts lebt." Verblüffenderweise scheint Grellia, obwohl eng mit Parasiten verwandt, Trichoplax nicht zu schaden. "Grellia hat die nötigen Gene, um Energie von seinem Wirt zu stehlen. Aber es benutzt sie nicht", so Leisch.

Ruthmannia - Dunkle Mikroben-Materie im Blick

Der zweite Symbiont von Trichoplax, Ruthmannia, gehört zu einer erst kürzlich entdeckten Gruppe von Bakterien, den Margulisbakterien. "Bisher gehörten Margulisbakterien zur so genannten Dunklen Materie der Mikroben – die überwiegende Mehrheit der Mikroorganismen, die Biologen zwar durch Sequenzierung finden, aber nicht kultivieren können", erklärt Harald Gruber-Vodicka. "Wir haben sie noch nie beobachten können, obwohl ihre genetischen Spuren in Wasserproben auf der ganzen Welt zu finden sind." Nun gelang es Gruber-Vodicka und Leisch, die ersten Bilder eines Margulisbakteriums zu machen. "Zum ersten Mal können wir ein Mitglied dieser Gruppe sehen. Für uns ist das genauso spannend wie das Foto eines Schwarzen Lochs." Dieser Symbiont lebt in Zellen, mit denen Trichoplax seine Algennahrung verdaut. "Ruthmannia scheint nur Fette und andere Lipide der Algen zu verwerten, den Rest überlässt es seinem Wirt. Im Gegenzug versorgt Ruthmannia Trichoplax vermutlich mit Vitaminen und Aminosäuren." Nun, da Trichoplax in den Labors des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie gedeiht, können die Autoren jederzeit an diesen rätselhaften Bakterien arbeiten.

In der Falle: Bewachsene Trichoplax-Fallen, die im seichten Wasser unter einem Steg aufgehängt wurden. (© Harald Gruber-Vodicka / Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie)

Harald Gruber-Vodicka, Nicole Dubilier und Niko Leisch vor dem Aquarium im Foyer des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie. Auch in diesem Korallenaquarium lebt Trichoplax mit seinen Symbionten. (© Christian Borowski / Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie)

Was kommt als nächstes?

"In dieser Studie haben wir uns mit den symbiotischen Partnern einer einzigen Trichoplax-Art beschäftigt", sagt Nicole Dubilier, Direktorin am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie. "Es gibt aber mindestens 20 weitere Arten. Unsere ersten Ergebnisse deuten darauf hin, dass jede Wirtsart ihre eigene, typische Garnitur von Symbionten hat. Wir sind schon sehr gespannt, diese erstaunliche Vielfalt und ihre Entwicklung weiter zu untersuchen. Diese winzigen Tiere sehen nicht nur aus wie Kartoffelchips, auch an ihrem Inhalt werden wir noch einiges zu Knabbern haben.“

Originalveröffentlichung

Harald R. Gruber-Vodicka, Nikolaus Leisch, Manuel Kleiner, Tjorven Hinzke, Manuel Liebeke, Margaret McFall-Ngai, Michael G. Hadfield, Nicole Dubilier: Two intracellular and cell type-specific bacterial symbionts in the placozoan Trichoplax H2. Nature Microbiology. DOI: 10.1038/s41564-019-0475-9