Untersuchung der mikrobiellen Gemeinschaft in der Termite Enddarm - Interview

Termiten und ihre Darmmikroben sind ein Beispiel für eine äußerst faszinierende und komplexe mutualistische Symbiose. Ich interessiere mich dafür, Termiten und diese Mikroben zu untersuchen, um die unterschiedlichen Rollen besser zu verstehen, die die verschiedenen Bestandteile bei der Zersetzung einer sehr komplexen Nahrungsquelle – Lignocellulose – in Produkte spielen, die sowohl vom Insekt als auch von den Mikroben genutzt werden können. Ich bin Jared Ledbetter.

Ich bin außerordentlicher Professor für Umweltmikrobiologie am California Institute of Technology und beteilige mich an unserem Programm für Umweltwissenschaften und -technik. Ich bin nun schon sechs einhalb Jahre am Caltech, aber seit den letzten 17 Jahren liegen meine hauptsächlichen Forschungsinteressen im Bereich der Mikrobiologie mikrobieller Gemeinschaften, die im Hinterdarm unterschiedlicher Termiten vorkommen. Seit ich während eines Sommerkurses zur mikrobiellen Diversität in Woods Hole, Massachusetts, erstmals auf die Mikrobiologie des Termitendarms stieß, interessiere ich mich sehr für die Identität und Funktion der verschiedenen mikrobiellen Arten, die im Hinterdarm von Termiten leben.

Die Gemeinschaften im hinteren Darm von Termiten bestehen aus etwa 250 einzigartigen mikrobiellen Arten, die alle drei Lebensbereiche repräsentieren. Sie enthalten metagene Archaea, anaerobe Cellulose abbauende Protozoen, also einzellige Eukaryoten, sowie eine große Vielfalt an Bakterien, darunter zahlreiche, zahlreiche, zahlreiche neuartige Arten einer Bakteriengruppe namens Spirochäten. Obwohl etwa 250 verschiedene Arten in Termiten leben und in der Natur sonst nirgends vorkommen, haben wir – trotz etwa hundert Jahren Forschung – nur ein sehr ungenaues Verständnis davon, welche Funktion all diese unterschiedlichen Mikroben in der insgesamt äußerst faszinierenden mutualistischen Symbiose zwischen dem Wirtsinsekt und der mikrobiellen Gemeinschaft erfüllen, bei der gemeinsam Lignocellulose in Produkte abgebaut wird, die im Wesentlichen den Stoffwechsel sowohl des Wirtsinsekts als auch der verschiedenen Mikroben antreiben.

Seit den letzten 16 bis 17 Jahren interessiere ich mich sehr dafür, welche Arten dies sind und was sie tun. Wie interagieren diese Arten im hinteren Darm miteinander und welchen Nutzen bringen sie dem Wirt? Termiten und ihre Darmmikroben sind ein Beispiel für eine äußerst faszinierende und komplexe mutualistische Symbiose.

Ich interessiere mich daher für die Untersuchung von Termiten und ihren Mikroben, um die unterschiedlichen Rollen und Komponenten besser zu verstehen, die während des Abbaus einer sehr komplexen Nahrungsquelle – Lignocellulose – in Produkte eine Rolle spielen, die sowohl vom Insekt als auch von den Mikroben genutzt werden können. Ein weiterer Grund, Termiten und ihre Darmmikroben zu untersuchen, liegt darin, dass Termiten weltweit eine sehr wichtige Tiergruppe darstellen, die entscheidende und bedeutende Funktionen in den globalen Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufen spielen. In den Tropen und Subtropen sind Termiten äußerst vielfältig, das heißt, es gibt viele, viele verschiedene Termitenarten, und sie sind außerordentlich häufig.

Ein Beispiel für den Erfolg dieser Insekten ist, dass sie, obwohl sie klein sind, bedeutende Quellen für globales CO2 und globales Methan darstellen. Aufgrund der großen Menge an Holz, die sie in diese Produkte umwandeln, tragen Termiten etwa 2 % zum globalen CO2 und etwa 4 % zum globalen Methan bei, was für eine einzige Tiergruppe tatsächlich recht bedeutend ist. Durch die Untersuchung der Mikroben und ihrer Aktivitäten in diesen Insekten verstehen wir die Tiere und die Grundlage ihres weltweiten Erfolgs besser.

Die Untersuchung der Termiten und ihrer Darmmikroben ist auch unter dem Aspekt von Skala und Reproduzierbarkeit interessant. Auf einer gewissen Ebene untersuche ich Termiten und ihre Darmmikroben, weil dies ein sehr faszinierendes und komplexes Umfeld darstellt. Doch die Umgebung des Hinterdarms, dieses Hinterdarm-Ökosystem, unterscheidet sich stark von vielen anderen Umgebungen.

Der Hinterdarm des Termiten ist mit einem Volumen von etwa einem Mikroliter sehr klein und er ist in dem Sinne sehr gut abgegrenzt, dass er entweder von der Darmepithelzelle oder vom Insekt selbst begrenzt wird. Wir können jedoch sehr konkret festlegen, was die Grenzen dieses Milieus sind. Das Milieu ist sehr klein, und wir können eine Schachtel mit Termiten sammeln, etwa 200 Termiten, und im Durchschnitt haben wir dieses gleiche Milieu immer wieder und wieder repliziert.

Wenn Sie die Umgebung des Termitendarms beispielsweise mit der des Sargassomeers vergleichen, ist letzteres riesig und gewaltig. Es ist tausend Meilen breit. Die Grenzen sind definiert, möglicherweise aber nur operational.

Es gibt keine eindeutige Grenze zum Sargassomeer, und es existiert nur ein einziges davon. Daher können wir durch die Untersuchung des Sargassomeers viel über die Meereswissenschaften lernen, und die Erforschung des Sargassomeers ist sehr wichtig. Es gibt jedoch bestimmte Schwierigkeiten, da man in der Lage sein muss, ein Boot zu nehmen und dorthin zu fahren.

Wenn Sie eine Entdeckung bezüglich einiger der dort vorkommenden Mikroben gemacht haben, wissen Sie möglicherweise nicht, wo sich diese Mikroben zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden, und sie können räumlich um Meilen voneinander entfernt sein; außerdem gibt es von jeder Art natürlich nur eine einzige Population. Daher ist es schwierig, das Sargassomeer zu untersuchen, es in irgendeiner Weise zu stören und ein kontrolliertes Sargassomeer zum Vergleich heranzuziehen. Indem wir hingegen die Mikroben in ihrem Darm untersuchen, haben wir tatsächlich ein Beispiel für eine Umgebung, die sich gut mit Laborverfahren analysieren lässt.

Wir können dieses Umfeld reproduzieren, es stören und mit Kontrollgruppen vergleichen. Und wir wissen immer auf etwa einen Millimeter genau, wo all diese verschiedenen mikrobiellen Gruppen und mikrobiellen Arten miteinander interagieren – sie interagieren in diesem einen Mikroliter umfassenden Darmumfeld. In meinem Labor untersuchen wir gerne diese mikrobielle Gemeinschaft mit wirklich jeder verfügbaren Technik, die uns helfen könnte, die Geheimnisse dieser Gemeinschaft aufzudecken.

Sicherlich besteht ein Aspekt davon darin, Arten zu kultivieren, die in dieser mikrobiellen Gemeinschaft vorkommen. In vitro im Labor ist eine Gemeinschaft aus 250 Arten äußerst komplex, und die Interpretation der Forschungsergebnisse gewinnt eine beispiellose Klarheit, wenn man eine Reinkultur eines Bakteriums untersuchen kann. Einige unserer Bemühungen konzentrierten sich darauf, in diese Darmgemeinschaft vorzudringen, einzelne darin vorkommende Arten anzuzüchten und zu kultivieren, um anschließend die Physiologie, Genetik und Genomik dieser Arten detailliert zu erforschen und schließlich darauf zurückzuschließen, welche Funktion diese Arten in der Gemeinschaft haben.

Ein Beispiel hierfür ist unsere Studie zum Termitendarm. Spiro-Keet, Spiro-Keet sind spiralförmige Organismen, die in nahezu allen Termiten in großer Zahl vorkommen. Bei Termiten handelt es sich um Spirochäten, die tatsächlich eng mit dem Erreger der Syphilis verwandt sind, doch in allen gesunden Termiten findet man diese SPI-Keet.

Und so wussten wir über viele, viele Jahre hinweg, dass diese Spirochäten wahrscheinlich eine Symbiose eingehen und dem Wirt etwas Positives bieten, aber wir wussten nicht, was genau sie tun. Vor etwa 10 Jahren gelang es mir, einige dieser SPI-Spirochäten in vitro zu kultivieren, und nun können wir diese SPI-Spirochäten untersuchen und haben viel über ihre Physiologie sowie darüber erfahren, was diese Spirochäten in der Umwelt vermutlich tun. Vor dieser Zeit hatten wir keinerlei Vorstellung davon, was diese Spirochäten in ihrem Lebensraum bewirken.

So haben wir zahlreiche Entdeckungen mithilfe reiner Kulturen gemacht, indem wir diese reinen Kulturen untersucht haben. Wir verwenden außerdem genbasierte Methoden, um diese mikrobielle Gemeinschaft zu analysieren. Es könnte einen bestimmten Gentyp geben, der eine bestimmte Physiologie repräsentiert, und wir können in diese Gemeinschaft hineinsehen und beginnen zu untersuchen, wie viele Varianten dieses Gens vorhanden sind und welche Organismen diese Schlüsselgene codieren.

Und so können wir funktionell untersuchen, was in diesem Hinterdarm vor sich geht, indem wir die Vielfalt der Gene analysieren, die an der Stickstoffmetabolisierung und an zentralen Aspekten des Kohlenstoffwechsels beteiligt sind. Außerdem können wir genbasierte Mechanismen oder genbasierte Ansätze nutzen, um die Diversität der Organismen in der Termitenart zu bewerten. Wir können ribosomale RNA-Gene als Markergene oder als Barcodes verwenden, um genau einzuschätzen, wie viele Arten in dieser Gemeinschaft vorhanden sind, in welcher Häufigkeit sie auftreten und inwieweit unsere Reinkulturen diese Diversität tatsächlich widerspiegeln. Daher setzen wir in meinem Labor eine Reihe genbasierter Techniken ein.

Wir beschäftigten uns ebenfalls mit Metagenomik, bei der wir das gesamte Genom-Inventar dieses mikrobiellen Ökosystems untersuchen möchten, um einen Eindruck davon zu erhalten, welche unterschiedlichen Stoffwechselvorgänge in dieser Gemeinschaft ablaufen. In meinem Labor untersuchen wir Reinkulturen. Wir verwenden PCR-basierte, genetische Methoden, setzen Metagenomik ein und analysieren Aktivitäten, insbesondere enzymatische Aktivitäten, die im Hintereingeweide vorhanden sind.

Und wir verwenden auch die Mikroskopie, um herauszufinden, wo sich Organismen im Darm befinden und mit welchen anderen Zellen sie interagieren. Insgesamt möchten wir verstehen, wie viele Arten im hinteren Darm vorhanden sind, was sie jeweils tun und wie sie miteinander interagieren. Die Untersuchung mikrobieller Gemeinschaften bringt eine Reihe von Herausforderungen mit sich, die sich von denen anderer natürlicher Gemeinschaften unterscheiden.

Es ist bekanntlich relativ einfach, einen Spaziergang im Wald oder in der Savanne zu unternehmen und die verschiedenen Pflanzen- und Tierarten zu beobachten, auf die man während des Spaziergangs trifft. In der Gemeinschaftsökologie wurden sicherlich in den letzten hundert Jahren zahlreiche Methoden entwickelt und Ansätze verfolgt, um Fragen zu stellen, wie viele Arten einer Pflanze oder eines Tieres in einer bestimmten Gemeinschaft vorkommen und mit welcher Häufigkeit man ihnen in dieser Gemeinschaft begegnet. Anschließend kann man diese Organismen tatsächlich über einen Zeitraum hinweg in ihrer Gemeinschaft beobachten, um zu erkennen, welche Anpassungen sie an die jeweiligen Umweltbedingungen und Umweltbelastungen aufweisen, mit denen sie konfrontiert sind.

Sie wissen, man kann einen Elefanten oder einen Löwen in der Savanne beobachten und einige ihrer Verhaltensweisen im Zusammenhang mit ihren Anpassungen sowie der Aufnahme ihrer Energie und Nahrung untersuchen und sehen, wie sie miteinander interagieren. All dies ist relativ einfach zu beobachten, wenn man Mikroben untersucht, Organismen, die man mit dem Auge sehen kann. Ebenso ist es ziemlich einfach zu unterscheiden, ob man es mit einer Pflanze oder einem Tier zu tun hat.

Ich meine das nicht im Hinblick auf Arten, sondern hinsichtlich dessen, was sie tun. Man kann einen Organismus betrachten und mit großer Sicherheit sagen, dass es sich hier um einen Phototrophen handelt, also um einen Organismus, der Sonnenstrahlung absorbiert und diese Energie in etwas Nützliches umwandelt. Oder ich betrachte ein heterotrophes Tier und erkenne, dass dieses Tier vorwiegend Proteine als Energiequelle nutzt.

Es gibt also eine Reihe von Beobachtungen, die man machen kann, wenn man durch die Gemeinschaft von Havanna oder eine Waldgemeinschaft geht. Solche Beobachtungen und Schlussfolgerungen zu ziehen, ist weitaus schwieriger, wenn man mikrobielle Gemeinschaften untersucht. Die Organismen sind klein, und selbst mit einem sehr guten Mikroskop ist es nicht immer offensichtlich, worin sich verschiedene Organismen unterscheiden und wie sie sich voneinander unterscheiden.

Das heißt, wenn man eine mikrobielle Gemeinschaft an sich betrachtet, kann es sehr schwierig sein, die Anzahl der vorhandenen Arten sowie ihre relativen Häufigkeiten zu bestimmen. Es kann ebenfalls sehr schwierig sein, mithilfe eines Mikroskops diese mikrobielle Gemeinschaft zu untersuchen und die Frage zu beantworten, welche Funktionen diese Organismen erfüllen. Eine große Herausforderung bei mikrobiellen Gemeinschaften besteht daher darin, festzustellen, wer vorhanden ist und welche Aktivitäten ausgeführt werden.

Daher müssen wir unterschiedliche Techniken bei der Untersuchung mikrobieller Gemeinschaften anwenden, um Informationen über die vorhandenen Organismen, ihre Aktivität, ihre Funktionen sowie ihre Reaktionen und Anpassungen an Umweltveränderungen zu gewinnen. Seit ich vor etwa 17 Jahren, also um 1990 herum, erstmals Interesse an der Erforschung der mikrobiellen Gemeinschaften im Termitendarm entwickelte, hat es in meinem Fachgebiet zahlreiche technologische Fortschritte gegeben, die es mir und anderen ermöglicht haben, deutlich mehr über mikrobielle Gemeinschaften – im Speziellen über die Gemeinschaften im Termitendarm – herauszufinden. Diese Fortschritte beruhen größtenteils auf genbasierten Methoden.

Als ich anfing, Termiten zu untersuchen, konnte man die Mikroskopie nutzen, um einen mikrobiellen Lebensraum wie den der Termite zu betrachten, verschiedene darin vorhandene Formen zu analysieren und eine ungefähre Schätzung vorzunehmen, wie viele unterschiedliche Arten in dieser Gemeinschaft vorhanden waren. Doch in den letzten 15 bis 17 Jahren sind zahlreiche genbasierte und genomische Methoden verfügbar geworden, wodurch sich unsere Fähigkeit, Informationen aus mikrobiellen Gemeinschaften wie dem Hinterdarm der Termite zu gewinnen, sehr schnell verändert hat. Heute können wir Gene praktisch als Barcode-Marker verwenden, um verschiedene Organismen und Lebensräume zu identifizieren.

Wir können eine mikrobielle Gemeinschaft wie den Hinterdarm eines Termiten untersuchen und mithilfe bestimmter Gene als Stellvertreter für diese Diversität ermitteln, wie viele verschiedene Arten vorhanden sind. Und wir können dieses Gen als Barcode verwenden, um nachzuverfolgen, ob diese Organismen in Kultur vorliegen oder um mit Hilfe dieses Barcodes Schwankungen in der Häufigkeit verschiedener Arten innerhalb dieser Gemeinschaft zu verfolgen. Mithilfe anderer genbasierter Methoden können wir untersuchen, ob die Gene, die für Enzyme kodieren, die für diesen speziellen Prozess verantwortlich sind, in dieser Gemeinschaft vorhanden sind.

Und wie viele Variationen, also wie viele Arten von Organismen, katalysieren das, und haben wir diese Organismen in Kultur? Es wurden daher eine Reihe von genbasierten und auf der PCR (Polymerase-Kettenreaktion) basierenden Ansätzen entwickelt, um mikrobielle Gemeinschaften zu untersuchen, was unser Verständnis mikrobieller Gemeinschaften grundlegend verändert hat. All diese Veränderungen haben sich innerhalb der letzten 20 Jahre vollzogen.

Die Erforschung von Termiten und ihren Darmmikroben ist sowohl auf der Ebene der Grundlagenforschung oder akademischen Forschung als auch auf der Ebene der biotechnologischen und angewandten Forschung von Interesse. Termiten fressen und zersetzen Holz. Für mich ist es sehr wichtig zu verstehen, mittels welcher Mechanismen Termiten und ihre Darmmikroben tatsächlich Holz angreifen, das eigentlich das erste Verbundmaterial der Natur ist.

Es handelt sich um einen dreilagigen Verbundwerkstoff, und es ist zähes Material. Und wirklich zu verstehen, wie dieses Insekt mithilfe seiner Darmmikroben diesen Verbundstoff deaminiert und anschließend alle seine Bestandteile in Produkte abbaut, die sowohl vom Insekt als auch von diesen Mikroben als Energiequelle genutzt werden können, finde ich äußerst faszinierend. Gleichzeitig hat dies auch grundlegende Bedeutung für die Biotechnologie und die Industrie.

Als Gesellschaft verstehen wir das eigentlich nur unvollständig. Tatsächlich verstehen wir nur sehr wenig darüber, wie Holz zu irgendetwas abgebaut wird. Und derzeit besteht großes Interesse daran, ein besseres Verständnis dafür zu erlangen, wie pflanzliches Lignocellulose – Reishülsen, Maiskolben, die Rückstände von Zuckerrohr, nachdem der Zucker herausgepresst wurde – abgebaut wird.

Es besteht großes Interesse daran zu verstehen, wie man wertarme Lignocellulose-Rohstoffe in höherwertige Produkte wie Ethanol, Wasserstoff, Methan oder andere Erzeugnisse umwandeln kann. Wichtig ist vor allem, dass Termiten kontinuierlich Lignocellulose-Holz abbauen und es in ihren eigenen Bioenergieträger umwandeln. In der Industrie besteht daher großes Interesse daran, welche Enzyme an diesem initialen Angriff auf Holz beteiligt sind.

Und vielleicht könnte man dann diese Enzyme nutzen und sie mit anderen nachgeschalteten Prozessen koppeln, um einen neuen Prozess zu entwickeln, der sich sowohl von den derzeit in der Industrie üblichen als auch von den in der Natur vorkommenden Prozessen unterscheidet, aber tatsächlich das Beste aus beidem kombiniert, um etwas Neues zu schaffen – die Umwandlung von Holz in ein gewünschtes Produkt. Ethanol, Wasserstoff, Methan oder etwas anderes – in meinem Labor steht vor allem das Bestreben im Vordergrund, ein grundlegendes Verständnis dieser mikrobiellen Gemeinschaft zu erlangen, sowie deren Interaktion mit dem Wirt und die Rolle, die der Wirt innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft bei der Abbaubarkeit von Lignocellulose spielt.

Doch besteht großes Interesse daran, einige dieser Informationen zu nutzen und in die Entwicklung neuartiger industrieller Verfahren einzubeziehen. Ich denke, dass es in den letzten zwei Jahren viele Diskussionen über Biokraftstoffe gegeben hat, wodurch die Aufmerksamkeit auf mögliche Notwendigkeit und sogar das Potenzial der Biokraftstoff-Forschung gelenkt wurde. Ich muss jedoch ehrlich sein: Meiner Ansicht nach entsprechen die finanziellen Fördermaßnahmen nicht dem Interesse, das diesem Bereich entgegengebracht wurde.

Es gibt kein Manhattan-Projekt für Biokraftstoffe. Es hat keine dramatische, großangelegte Investition in die Grundlagenforschung gegeben, die sich auf die Biokraftstoff-Forschung bezieht. Und da unser grundlegendes Verständnis des Zelluloseabbaus an dieser Stelle so schlecht ist, denke ich, dass eine Biokraftstoff-Initiative gezielte Investitionen auf allen Ebenen umfassen muss – von der fundamentalen, akademischen Grundlagenforschung bis hin zur Industrie –, um dies zu ermöglichen.

Und wenn Menschen möchten, dass dies in zwei, fünf oder zehn Jahren geschieht, müssen wir ebenfalls Gelder investieren, damit Menschen ihre Zeit und Mühe in die Verwirklichung dessen einbringen können. In den letzten 20 Jahren hat sich unsere Fähigkeit, genbasierte Methoden zur Untersuchung mikrobieller Gemeinschaften einzusetzen, so rasch weiterentwickelt. Ich denke, wir können alle etwas davon träumen, was in den nächsten fünf bis zehn Jahren möglich sein könnte, und ich glaube, dass die Aussicht sehr gut steht, dass wir in zehn Jahren die Kapazität besitzen werden, das komplette Genom jeder einzelnen Art zu kennen, zu sequenzieren und zu analysieren.

Im hinteren Darm des Termiten gibt es mindestens 250, und ich denke, dass sich die Gelegenheit ergeben wird, sozusagen einen Aktenschrank mit Informationen zu besitzen, in dem wir den Genomgehalt jeder dieser Arten kennen. Und das wird eine äußerst bedeutende Entdeckung sein, denn erst vor zehn Jahren haben wir erstmals die Genome sehr gut bekannter Mikroorganismen sequenziert. Und innerhalb weiterer zehn Jahre werden wir, meiner Meinung nach, in der Lage sein, komplexe mikrobielle Gemeinschaften zu untersuchen und Zugang zu Genominformationen von Organismen zu erhalten, die wir bisher in keiner Weise detailliert erforscht haben, und diese erstmals nutzen zu können, um Studien an diesen Organismen voranzutreiben.