På jagt efter viden om havbundens ukendte liv

Publiceret Juli 2012

Dybt begravede sedimenter under havene er hjemsted for størstedelen af alle mikroorganismer på vores planet. De lever uden lys, uden ilt og under et enormt tryk, og opdagelsen af livet dernede har markant udfordret vores opfattelse af grænserne for liv. Energitilførslen er ekstremt lav, og livet foregår i slow-motion med generationstider på hundreder til tusinder af år for de enkelte mikroorganismer. Alligevel driver mikroorganismerne vigtige processer i geosfæren og kontrollerer essentielle stofkredsløb, som over geologisk tid har stor betydning for havets kemi og klodens klima. Det overordnede mål med Center for Geomikrobiologi er at forstå, hvordan dette foregår.

En uudforsket verden

Havets "dybe biosfære" er en uudforsket verden, hvor næsten alle organismerne endnu er ukendte og kun er identificeret igennem en lille brøkdel af deres genetiske kode. Center for Geomikrobiologi udvikler nye metoder til at forstå mikroorganismernes liv under ekstrem energibegrænsning og deres funktion i havbundens globale stofkredsløb.Vi kombinerer studier af organismernes identitet og aktivitet med studier af de biogeokemiske processer, og det ambitiøse mål er at kunne arbejde med de enkelte celler af bakterier og arkæer og analysere deres genetiske mangfoldighed og deres stofskifte, uden at de først skal dyrkes i laboratoriet. Sådanne metoder kan også anvendes i mange andre miljøer, f.eks. inden for den bioteknologiske eller medicinske mikrobiologi.

Mikrobiologi under værst mulige betingelser

"Mikrobiologi under de værst mulige betingelser" kunne være en karakteristik af arbejdet med livet i den dybe biosfære. For når stofskiftehastigheden per celle er tusinde gange lavere end det minimale vedligeholdelsesstofskifte i en laboratoriekultur, er det ikke muligt at udforske mikroorganismernes livsbetingelser ved at dyrke dem i laboratoriet. Vi udvikler derfor nye metoder baseret på mikroskopi og på DNA-analyser. Netop celler fra marine sedimenter repræsenterer en stor udfordring, fordi den dybe undergrund udgør det mest uudforskede og sværest tilgængelige område af vores planet, og fordi beboerne dybt dernede er mikroorganismer, som er markant anderledes end dem, vi kender fra overfladeverdenen.

Kernerne kommer i hus

Prøver fra havbunden henter vi op i form af intakte "sedimentkerner" både på Aarhus Bugt og på de store verdenshave i regi af det internationale boreprogram Integrated Ocean Drilling Program. Prøveoptagningen foregår med avanceret udstyr, og kun inden for de seneste årtier er det blevet muligt at tage prøver, der er fri for kontaminering fra overfladeverdenens bakterier. Allerede om bord på skibet får vi de første geokemiske data i hus. Vi måler direkte på mikroorganismernes aktivitet - for eksempel deres forbrug af ilt, nitrat eller sulfat eller deres dannelse af metan. Studier af geokemiske data linker vi til studier af fylogenetiske data indhentet gennem analyser af cellernes DNA, og derigennem kan vi afsløre, hvilke mikroorganismer der er ansvarlige for de mikrobielle processer, som er påvist med kemiske metoder.

2012-3 geomikrobiologi 1
Prøveoptagning

Forskere fra Center for Geomikrobiologi har adskillige gange deltaget i boretogter ombord på JOIDES Resolution, som er det primære boreskib for Integrated Ocean Drilling Program (IODP). Boreskibet er 143 meter langt og kan bore 2000 meter ned i havbunden på vanddybder op til 7000 meter. Til højre ses et roterende drejebor, som er gjort klar til at skyde vej ned igennem havbundens mudderlag (fotos: IODP-USIO). Nederst ses forskere og studerende fra Center for Geomikrobiologi på et forskningstogt i Aarhus Bugt. De har netop hentet en 10 meter lang kerne op og er snart klar til at foretage de første biokemiske analyser (foto: Bo Barker Jørgensen).

Mikroorganismernes identitet og stofskifte

Inden for de senere år er det blevet muligt at analysere den genetiske kode i enkelte bakterieceller, og dermed kan vi få samtidigt svar på mikroorganismernes identitet og hvilke typer stofskifte, de har genetisk potentiale til at udføre. Arbejde baseret på stabile isotoper er én indgang. Vi fodrer mikroorganismerne i havbundsprøverne med isotop-mærkede sporstoffer, der udgør de samme organiske forbindelser, som bakterierne normalt optager i undergrunden. Derefter kan vi bestemme isotopoptagelsen i specifikke organiske komponenter af cellerne - i fedtstofferne fra deres cellemembraner eller i deres DNA - og vi kan dermed påvise, hvilke organismer der er aktive, og hvad de lever af. Med et højtopløsende sekundær-ion massespektrometer, en såkaldt nanoSIMS, som vi har adgang til ved Max Planck Instituttet for Marin Mikrobiologi i Bremen, kan vi tilmed kortlægge isotoperne i de enkelte celler, så vi kan se, hvor meget de enkelte bakterier har "spist". De avancerede analyseteknikker gør det alt i alt muligt at afsløre koblingen mellem mikroorganismerne og de langsomme mikrobielle processer, vi ser foregå i havbunden.

2012-3 geomikrobiologi 2
Metoder til DNA sekvensanalyse

Ved hjælp af stabile isotoper undersøger vi mikroorganismernes optag af substrater i sedimentprøver fra Aarhus Bugt, Guaymas, Beringhavet og Stillehavet (øverst). Vi anvender endvidere næste-generations-sekvensering af taksonomiske markør-gener til at kortlægge diversiteten i de mikrobielle samfund (øverst). Det nederste billede viser isolering af enkelte bakterie-celler fra havbunden ved hjælp af laser mikrodissektions-mikroskopi. Det er én af de nye enkeltcelle-teknikker, vi bruger for at finde ud af, hvilke stofskifteprocesser bakterier og arkæer i havbunden har genetisk potentiale til at udføre (fotos: Kasper Urup Kjeldsen og Bo Barker Jørgensen).

Enkeltceller fra havbunden

På Center for Geomikrobiologi arbejder vi med avancerede teknikker til isolering af enkelte celler hentet op fra havbunden. Cellerne ekstraheres først fra sedimentet, og deres DNA mærkes med fluorescerende farvestof. Cellerne kan filtreres ned på et sterilt membranfilter, og ved laser-mikro-dissektions-mikroskopi (LMD) kan enkelte fluorescerende bakterier derefter skæres ud og isoleres i et væskevolumen på mindre end en mikroliter. I samarbejde med Single Cell Genomics Centeret ved Bigelow Laboratory for Ocean Sciences, USA, bruger vi også flouroscens-assisteret cellesortering (FACS) til at isolere et større antal enkeltceller. Hver celles DNA opformeres derefter i et stort antal kopier, som kan anvendes til en komplet sekventering af cellens genom. Center for Geomikrobiologi råder i dag over et Ion Torrent sekventeringsudstyr, hvormed et komplet bakteriegenom kan sekventeres på et par timer. Vi anvender også PCR på det opformerede DNA til at gå på jagt efter udvalgte gener, som er diagnostiske for bestemte typer stofskifte i cellerne. Den hastigt voksende genomiske datamængde medfører en omfattende bioinformatisk analyse.

Genomer af ukendte arkæer

Omfattende metagenomiske analyser af DNA ekstraheret fra dybe havbundsprøver har vist, at arkæer ofte er de dominerende organismer i den dybe biosfære. De fleste hører til helt ukendte forgreninger i livets genetiske stamtræ, og de er dermed ikke beslægtet med organismer, som hidtil har været studeret i laboratoriet. Arkæerne kan overfladisk ligne bakterier, men de udgør det tredje domæne af liv, ved siden af bakterierne og eukaryoterne. De er mest kendt for at leve i ekstreme miljøer, så som varme kilder eller saltsøer, men i undergrunden udfører de tilsyneladende mange af de processer, som ellers kun kendes fra bakterier. Det er lykkedes at isolere enkelt-celler af flere af de dominerende typer arkæer fra havbunden og påvise, at de spiller en vigtig rolle ved nedbrydningen af komplekse organiske stoffer, bl.a. af proteiner. Dermed har vi for første gang opnået viden om livsformen af nogle af de mikroorganismer, som er mest talrige på jorden.

Østersøen i fokus

Mikroorganismerne i undergrunden er afgørende for, hvor stor en del af det begravede organiske materiale, der bliver nedbrudt og dermed igen indgår i de globale stofkredsløb. Dermed spiller livet dernede en vigtig rolle for atmosfærens iltindhold og for Jordens klima på langt sigt. Men det liv, vi finder, ligner langt fra livet på overfladen af kloden, og jagten på viden om de præcise egenskaber for bakterier og arkæer er en fortsat motivation for vores forskning. En stor satsning i det nye Center for Geomikrobiologi bliver et internationalt boretogt i Østersøen, som foregår i foråret 2013 under ledelse af Bo Barker Jørgensen og geologen Thomas Andrén, og hvor de nye teknikker skal sættes ind. Det er første gang, at et forskningsboreskib besøger danske farvande, og resultaterne vil have stor betydning for at forstå, hvordan havet omkring os er udviklet igennem de sidste istider, og hvilket liv der udfolder sig i de op til 140.000 år gamle havbundslag.

Fakta: Center for Geomikrobiologi, Aarhus Universitet

Fra oktober 2007-2012 samfinansieret af Danmarks Grundforskningsfond og det tyske Max Planck Selskab.

Fra oktober 2012-2017 finansieret af Danmarks Grundforskningsfond som Center of Excellence.

Læs mere om forskningen ved centeret på www.geomicrobiology.au.dk