Neue Forschungs­methode aus Japan für Oldenburg

Die Doktorandin Mara Heinrichs vom Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) beschäftigt sich im Rahmen ihrer Promotion vor allem mit in Tiefseesedimenten (3.000 bis 5.000 Meter unter dem Meeresspiegel) lebenden Viren und Bakterien. Sie geht davon aus, dass Viren als häufigste biologische Komponente in diesem Ökosystem einen zentralen Einfluss auf Bakteriengemeinschaften und damit auf die Regeneration von Nährstoffen haben. Um dies zu untersuchen, müssen die Viren in den Proben unter anderem gezählt werden. Die derzeit angewandte Forschungsmethode am ICBM ist sehr aufwendig und zeitintensiv. Dr. Donald Pan von der Japan Agency for Marine-Earth Science & Technology (JAMSTEC) in Yokosuka hat maßgeblich an einer Methode mitgewirkt, die eine vereinfachte Zählung von Viren ermöglicht. Während ihres zweimonatigen Forschungsaufenthaltes in Japan durfte Mara diese Methode erlernen und möchte sie nun als Alternativmethode zur Virenzählung am ICBM etablieren.

Bakterien und Viren sichern Leben in unseren Gewässern

Der Meeresboden stellt einen der größten Lebensräume auf unserer Erde dar, deswegen ist er für die Forschung so unglaublich spannend. Dort vorkommende Bakterien und Viren sind, anders als angenommen, in den wenigsten Fällen schädlich: Sie haben durch ihre besonderen Fähigkeiten für unsere Ökosysteme eine lebenserhaltende Funktion. Einfach gesagt stellen Bakterien einen Großteil der im Meer befindlichen Nahrung für alle weiteren Lebewesen zur Verfügung, die sonst nicht genutzt werden könnte. Sie stehen am Anfang und Ende aller Stoffkreisläufe und spielen damit eine unverzichtbare Rolle für die marine Nahrungskette. Viren verändern diese Bakteriengemeinschaften und beeinflussen damit auch indirekt die von Bakterien ausgeführten Prozesse. Denn der Ausbruch einer viralen Infektion in einer Bakterienzelle führt zu deren Auflösung der bakteriellen Zelle und somit zu ihrem Tod. Dadurch verändern Viren nicht nur die Komplexität der bakteriellen Gemeinschaften, sondern auch die Zusammensetzung des vorhandenen organischen Materials durch die Freisetzung des Zellinhalts. Dennoch ist der genaue Einfluss von Viren auf die Bakterien und den Kreislauf von wichtigen Elementen in Tiefseesedimenten weitgehend unbekannt.

Simulation einer viralen Infektion von Bakterien

Um den Einfluss der Viren auf diese Prozesse besser untersuchen zu können, bearbeitet Mara insgesamt vier Experimente, bei denen der Ausbruch einer viralen Infektion in Tiefseesedimentproben simuliert wurde. Das Sediment dafür wurde 2016 und 2017 während Ausfahrten mit dem Forschungsschiff Sonne gewonnen. Im Fokus ihrer Untersuchungen stehen zum einen die Bestimmung der Zell- und Virenzahlen (Wie viele Bakterien wurden zerstört? Wie viele Viren wurden gebildet?) und zum anderen die Erfassungen von Veränderungen der Bakteriengemeinschaften (Welche Bakterien werden hauptsächlich getötet? Welche Bakterien profitieren von der chemischen Zusammensetzung und was passiert mit dem freiwerdenden Material?). Doch die Zählung der Viren ist sehr aufwendig und zeitintensiv. Ihre außerordentlich geringe Größe und die Anwesenheit von Sedimentpartikel in den Proben stellen die besondere Herausforderung dar, denn derzeit werden Viren in Sedimenten „von Hand“ unter dem Fluoreszenzmikroskop ausgezählt. In ihrem zweimonatigen Forschungsaufenthalt Anfang dieses Jahres am Meeresforschungsinstitut JAMSTEC zeigte ihr Dr. Pan eine alternative Methode zur Analyse von Virenzahlen in Tiefseesedimenten. Er war maßgeblich an der Entwicklung einer neuen Methode beteiligt, bei der die Viren effizienter als bisher vom Sediment getrennt werden und somit einfacher zu erfassen sind. Die bessere Trennung der Viren vom Sediment erlaubt die Erfassung der Virenzahlen mittels Durchflusszytometrie, was eine schnellere Analyse der Virenzahlen bei größerer statistischer Zuverlässigkeit erlaubt als die Zählung mit dem Mikroskop. Während ihres Aufenthaltes konnte sich Mara diese Methode aneignen und die Proben ihres Experimentes erfolgreich mit dem Durchflusszytometer analysieren. Die Trennungsmethode wurde kürzlich in einem wissenschaftlichen Fachjournal publiziert und es ist geplant sie als Alternativmethode am ICBM zu etablieren und damit das erste Institut neben Japan zu sein, das diese verwendet.

Randnotiz: Durchflusszytometrie

Der Begriff Durchflusszytometrie beschreibt ein Messverfahren zur Zellzählung. Die Zellen oder in diesem Fall Viren fließen durch eine dünne Kapillare im Gerät einzeln an einem Laser vorbei, wodurch das Licht des Lasers gestreut wird. Detektoren messen die Streuung des Laserlichts, wodurch die Virenzahlen in der Probe automatisch bestimmt werden können. Der Laser kann dabei nicht unterscheiden, ob es sich bei dem passierenden Partikel um einen Virus oder ein Sedimentkorn handelt. Das macht eine effiziente Trennung der Viren vom Sediment unerlässlich, wenn man Viren aus Sedimentproben mittels Durchflusszytometrie messen möchte.