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Was man zählt, ist nicht unbedingt das, was zählt

Was man zählt, ist nicht unbedingt das, was zählt

22.05.2023

Eine neue Studie, die die Zahl sich teilender Bakterienzellen in der Nordsee unter die Lupe nimmt, rüttelt an einigen Dogmen über die mikrobiellen Meeresbewohner.

Meerwasser ist voll mit Bakterien, Hunderttausende leben in jedem Liter. Wie viele Bakterien im Wasser leben, hat aber nicht unbedingt viel zu bedeuten. Wichtiger ist, wie aktiv sie sind und wie schnell sie sich vermehren. Das zeigt eine Studie von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen, nun veröffentlicht im Fachmagazin mSystems. Die Forschenden stellten fest, dass sich beispielsweise SAR11-Bakterien, die häufigsten Bakterien im Meer, fast zehnmal so schnell teilen wie angenommen. Die unerwartete und sehr unterschiedliche Wachstumsgeschwindigkeit verschiedener Bakteriengruppen, die die Forschenden in der Nordsee fanden, wirft alte Annahmen über den Haufen und neue Fragen auf. Zudem zeigt diese Studie, wie wichtig „altmodische“ Methoden, wie Untersuchungen mit dem Mikroskop, weiterhin sind, um verlässliche Forschungsergebnisse zu erzielen.

Sonnenuntergang über der Insel Helgoland in der Deutschen Bucht, wo die Forschenden des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie ihre Proben genommen haben. © Jan Brüwer/Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

Um festzustellen, wie schnell eine Population von Bakterien wächst, wird häufig gemessen, wie sich ihre Zellzahl mit der Zeit verändert. Diese Methode hat aber einen großen Mangel: Sie erhebt nicht, wie schnell sich die Bakterien vermehren oder sterben. Diese Faktoren sind jedoch sehr wichtig, um ökologische Prozesse zu verstehen. Deswegen haben nun Forschende des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen einen genaueren Blick auf diese Prozesse im Rahmen einer Frühjahrsblüte in der Deutschen Bucht geworfen. Dabei gerieten einige bisherige Dogmen ins Wanken.

Die Forschenden um Jan Brüwer, Bernhard Fuchs und Rudolf Amann untersuchten das Wachstum von Bakterien während der Frühjahrsblüte vor Helgoland mit verschiedenen Methoden: Mit dem Mikroskop zählten und bestimmten sie nicht nur die vorhandenen Zellen, sondern auch die Häufigkeit von Zellen, die sich gerade teilten. So konnten sie anschließend berechnen, wie schnell sich verschiedene Bakterienarten in ihrer natürlichen Umwelt vermehrten.

„Wir haben in tausenden Bildern mit modernen mikroskopischen Methoden sich teilende Zellen sichtbar gemacht und gezählt“, erklärt Jan Brüwer, der die Studie im Rahmen seiner Doktorarbeit durchführte. „Dabei haben wir uns zu Nutze gemacht, dass das verdoppelte Genom in die zukünftigen Tochterzellen aufgeteilt werden muss, bevor sich eine Zelle teilt. Wir konnten diese Zellen also aufgrund der DNA-Verteilung in der Zelle gut erkennen.“ So konnten die Forschenden die Wachstumsgeschwindigkeiten einzelner Bakteriengruppen über größere Zeiträume bestimmen.

„Die Ergebnisse hielten einige Überraschungen für uns bereit“, sagt Gruppenleiter Bernhard Fuchs. „So haben wir beispielsweise festgestellt, dass sich die am häufigsten im Meer vorkommende Bakteriengruppe namens SAR11 fast zehn Mal schneller teilt als angenommen.“ Die gemessenen Wachstumsraten passen zudem in vielen Fällen nicht mit der Häufigkeit der jeweiligen Bakterien im Meer zusammen. „Wenn Bakterien sich oft teilen und trotzdem nicht so häufig vorkommen, deutet das darauf hin, dass sie ein beliebtes Opfer von Jägern oder Viren sind“, erklärt Brüwer. „Auch der Zeitpunkt der Bakterienvermehrung war überraschend: SAR11-Bakterien teilten sich häufig schon vor dem Einsetzen der Algenblüte in der Nordsee. Woher sie die dafür erforderliche Energie nahmen, ist bis jetzt rätselhaft.“

Nicht alle Bakteriengruppen verhielten sich so unerwartet wie SAR11; bei anderen Gruppen passten die nun erhobenen Ergebnisse eher zu den Erwartungen der Forschenden – bei ihnen stimmten Wachstumsgeschwindigkeiten und Zellzahlen weitgehend überein.

Eine sich teilende Bakterienzelle unter dem Fluoreszenzmikroskop. Die Einschnürung in der Mitte, an der die Teilung erfolgt, ist klar erkennbar. Die Zelle ist grün, die Genome blau gefärbt. © Jan Brüwer/Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

Bisher nimmt man an, dass SAR11, die sehr kleine Zellen haben, mit wenigen Nährstoffen auskommen, sich nicht besonders häufig teilen und wegen ihrer geringen Größe nur wenig gefressen werden. Andere größere Bakterien, beispielsweise die Bacteroidetes, werden dagegen als beliebtes Futter angesehen, die sich schnell vermehren und ebenso schnell wieder verschwinden, wenn Jäger und Viren ihnen auf die Spur kommen. Die neue Studie von Brüwer und seinen Kolleginnen und Kollegen entwirft ein ganz anderes Bild.

„Unsere Ergebnisse beeinflussen unser Verständnis von Stoffkreisläufen, vor allem des Kohlenstoffkreislaufs, im Meer“, betont Brüwer. „Die häufigsten Bakterien im Meer, SAR11, sind aktiver und teilen sich schneller als bisher angenommen. Das könnte bedeuten, dass sie weniger Nährstoffe benötigen und eine beliebtere Nahrungsquelle für andere Organismen sind als vermutet. Außerdem scheint der generelle Umsatz an Bakterien während der Algenblüte schneller zu sein als wir dachten.“

„Die vorliegende Arbeit ist methodisch sehr aufwändig und sie zeigt, wieviele Informationen man aus Mikroskopiebildern ziehen kann“, sagt Rudolf Amann, Direktor am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie. „Ich bin sehr stolz auf die beteiligten Forschenden, dass sie diese Mammutaufgabe gestemmt haben und froh, mit ihnen zusammenarbeiten zu dürfen. Die erzielten Ergebnisse werden Auslöser sein für viele spannende Diskussionen über die ökologischen Zusammenhänge während einer Frühjahrsblüte und generell im Meer.“

Originalveröffentlichung

Brüwer, JD, Orellana, LH, Sidhu, C, Klip, HCL, Meunier, CL, Boersma, M, Wiltshire, KH, Amann, R, Fuchs, BM (2023) In situ cell division and mortality rates of SAR11, SAR86, Bacteroidetes, and Aurantivirga during phytoplankton blooms reveal differences in population controls, mSystems (17 May 2023)

DOI: 10.1128/msystems.01287-22

Beteiligte Institutionen

Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Celsiusstraße 1, 28359 Bremen, Deutschland
Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, Helgoland/List auf Sylt, Deutschland
Universität Bremen, 28359 Bremen, Deutschland