Alexander Siegl

• Schwämme (Phylum Porifera) sind der älteste rezente Tierstamm der Erde. Insbesondere marine Vertreter dieser sessilen Invertebraten sind oftmals mit einem mikrobiellen Konsortium assoziiert, welches hochgradig wirtsspezifisch und phylogenetisch divers ist. Die Biomasse dieser Mikroflora kann dabei rund die Hälfte der Masse eines Schwamms ausmachen. Die Komplexität des Konsortiums sowie der Mangel an kultivierbaren Vertretern der Schwamm-spezifischen Kladen erschwert dabei eine gezielte funktionelle Charakterisierung. Von besonderem InteresseSchwämme (Phylum Porifera) sind der älteste rezente Tierstamm der Erde. Insbesondere marine Vertreter dieser sessilen Invertebraten sind oftmals mit einem mikrobiellen Konsortium assoziiert, welches hochgradig wirtsspezifisch und phylogenetisch divers ist. Die Biomasse dieser Mikroflora kann dabei rund die Hälfte der Masse eines Schwamms ausmachen. Die Komplexität des Konsortiums sowie der Mangel an kultivierbaren Vertretern der Schwamm-spezifischen Kladen erschwert dabei eine gezielte funktionelle Charakterisierung. Von besonderem Interesse hierbei ist das exklusiv in marinen Schwämmen vorzufindende Candidatus Phylum Poribacteria, für das bislang kein kultivierter Vertreter vorliegt. Die metabolisch aktiven und hochabundanten Poribakterien liegen in der extrazellulären Matrix des Schwammes vor und zeichnen sich durch das Vorhandensein einer Nukleoid-ähnlichen intrazellulären Struktur aus. Ziel dieser Promotionsarbeit war es, neue Einzelzell-basierte Methoden auf das Gebiet der funktionellen Charakterisierung von Bakterien anzuwenden, welche spezifisch mit dem mediterranen Schwamm Aplysina aerophoba assoziiert sind. Dabei wurden sowohl kultivierungs-abhängige, als auch kultivierungs-unabhängige Versuchsansätze verfolgt. Das Hauptaugenmerk dieser Studien lag dabei auf dem Candidatus Phylum Poribacteria. Während auf dem ‚dilution-to-extinction‘-Prinzip beruhende Hochdurchsatz-Kultivierungen nicht zum Erhalt einer Schwammsymbionten-Reinkultur führten, konnten durch eine Kombination aus FACS-Vereinzelung von Schwamm-assoziierten Bakterien und anschließenden Einzel-Genom-Amplifizierungen (‚whole genome amplifications‘) umfassende Einblicke in die metabolischen Kapazitäten von Schwammsymbionten gewonnen werden. Ferner gelang durch die Anwendung dieser neuen kultivierungs-unabhängigen Methode eine spezifische Verknüpfung von Phylogenie und Funktion Schwamm-assoziierter, nicht-kultivierbarer Bakterien. So konnte im Rahmen dieser Dissertation eine neue nicht-ribosomale Peptidsynthetase (NRPS) einem Vertreter einer Schwamm-spezifischen Chloroflexi-Klade zugewiesen werden. Ferner gelang die Zuordnung einer exklusiv in marinen Schwämmen vorgefundenen Polyketidsynthase (Sup-PKS) zu den Poribacteria. Die Klonierung von hochmolekularer, Einzel-Genom-amplifizierter DNA in Cosmide gewährte zudem Einblicke in den genomischen Kontext dieser, mit dem bakteriellen Sekundärmetabolismus assoziierten Gene. Die Pyrosequenzierung eines amplifizierten, von einem einzelnen Poribakterium abstammenden Genoms führte zudem zum Erhalt von rund zwei Megabasen an genetischer Information über diese Schwammsymbionten. Dadurch wurden detaillierte Informationen über den poribakteriellen Primär- und Sekundärstoffwechsel gewonnen. Die Auswertung der automatisch annotierten 454-Daten erlaubte die Rekonstruktion von Stoffwechselwegen, so z.B. der Glykolyse oder des Citratzyklus und bestätigte das Vorhandensein eines Sup-PKS-Gens im poribakteriellen Genom. Ferner konnten Gemeinsamkeiten mit den Schwesterphyla Planctomycetes, Chlamydiae und Verrucomicrobia gefunden werden. Zudem zeigte die vergleichende Analyse mit einem poribakteriellen Referenzklon aus einer bestehenden Metagenombank die genomische Mikroheterogenität innerhalb dieses Phylums. Nicht zuletzt konnte die Auswertung der poribakteriellen 454-Sequenzierung eine Reihe von möglichen Symbiose-Determinanten aufdecken, die beispielsweise am Austausch von Metaboliten zwischen den Interaktionspartnern beteiligt sind. Die Ergebnisse dieser Dissertationsarbeit stellen die Basis für eine gezielte und detaillierte funktionelle Beschreibung einzelner Bakterien innerhalb komplexer mikrobieller Konsortien dar, wie sie in marinen Schwämmen vorzufinden sind. Dieser Studie gewährte erstmalig umfassende Einblicke in das genomische Potential der nicht-kultivierten, Schwamm-assoziierten Poribacteria. Weiterführende Einzelzell-basierte Experimente werden in Zukunft dazu beitragen, das Bild von der Interaktion zwischen Bakterien und eukaryontischen Wirten zu komplettieren.…
• Sponges (phylum Porifera) represent the evolutionarily oldest of all extant animal phyla. Especially marine members of these sessile invertebrates are well known to be permanently associated with microbial consortia, which are highly host-specific and phylogenetically diverse. About half of the sponge’s biomass can be made up of this microflora. However, the complexity of the consortia as well as the lack of cultured representatives impedes a directed functional characterization of sponge-specific bacterial phylotypes. Of special interest inSponges (phylum Porifera) represent the evolutionarily oldest of all extant animal phyla. Especially marine members of these sessile invertebrates are well known to be permanently associated with microbial consortia, which are highly host-specific and phylogenetically diverse. About half of the sponge’s biomass can be made up of this microflora. However, the complexity of the consortia as well as the lack of cultured representatives impedes a directed functional characterization of sponge-specific bacterial phylotypes. Of special interest in this context is the candidate phylum Poribacteria, whose members have so far been exclusively detected in marine sponges. As indicated by the annex ‘candidate’, no cultured representative exists for the Poribacteria. The metabolically active and abundant Poribacteria are located in the sponge extracellular matrix and are characterized by the presence of a nucleoid-like organelle. The aim of this dissertation was the application of novel single cell based methods to the field of sponge microbiology for functional characterization of bacteria specifically associated with the Mediterranean sponge Aplysina aerophoba. For that purpose, cultivation-dependent as well as cultivation-independent approaches were pursued. Particular attention was paid to the candidate phylum Poribacteria. While high-throughput cultivation experiments based on the ‘dilution-to-extinction’ principle did not yield a sponge symbiont in pure culture, extensive insights into the metabolic properties of sponge-associated bacteria were gained by dissecting the microbial consortia using FACS-sorting with subsequent ‘whole genome amplifications’. In addition, this approach enabled a specific linkage between phylogeny and function of sponge-specific, non-culturable bacteria. Within the scope of this PhD thesis a novel non ribosomal peptide synthetase (NRPS) could be assigned to a member of a sponge-specific clade within the phylum Chloroflexi. Moreover, an exclusively in marine sponges existing class of polyketide synthases (Sup-PKS) was shown to be encoded by the Poribacteria. Cosmide-cloning of amplified genomic DNA derived from FACS-sorted sponge microbes provided insights into genes associated with secondary metabolism and adjacent genomic context. Pyrosequencing of a single amplified genome derived from a member of the Poribacteria resulted in almost two megabases of genetic information about this sponge symbiont. Data analysis provided detailed insights into the poribacterial primary and secondary metabolism. Analysis of the automatically annotated 454-data enabled the reconstruction of metabolic pathways like glycolysis and citric acid cycle. Furthermore, the presence of the Sup-PKS gene in the poribacterial genome was confirmed. Moreover, common features with the sister phyla Planctomycetes, Chlamydiae and Verrucomicrobia were traced within the poribacterial data set. Additionally, the comparative study with a poribacterial reference clone from an existing metagenomic library revealed genomic microheterogeneity within the phylum Poribacteria. Last but not least the interpretation of the 454-sequencing approach did expose a set of putative determinants such as metabolite exchange factors required for establishment and maintenance of the symbiosis with the sponge host. The results of this dissertation provide a basis for a directed and detailed functional characterization of single bacteria within complex microbial consortia like they exist in marine sponges. This study provided a comprehensive picture of the genomic potential of the uncultured sponge-associated Poribacteria. Continued single cell based experiments will lead to a better knowledge of the mechanisms of interaction between bacteria and eukaryotic hosts.…