聚球藻屬

Synechococcus aeruginosa

Synechococcus aeruginosa

Synechococcus ist eine Gattung innerhalb der Cyanobakterien und ist fakultativ anaerob. Der Name ist vom altgriechischen συνέχεος ‚zusammenhängend‘, und κόκκος' ‚Kern‘, abgeleitet. Die Arten der Gattung leben planktisch im marinen Pelagial. Dort trägt die photoautotrophe Gattung durch Photosynthese einen wesentlichen Anteil zur Primärproduktion bei. Einige Arten finden sich auch im Süßwasser. Als Modellorganismus in der Biologie ist das Genom einer Art, S. elongatus, sequenziert worden.^[1][2]

Merkmale

Synechococcus sp. PCC 7002 BF^[3]

Illustration von Synechococcus.
Balken ca. 10 µm

Synechococcus-Arten finden sich unizellulär (einzeln), selten als Paar oder in kleinen Gruppen. Die Zellen besitzen keine oder nur sehr dünne Gallerthüllen^[4], keine Gasvesikel und sind blaugrün oder rot gefärbt. Marine Vertreter der Gattung zeigen Motilität^[5]. Da die Zellen neben Chlorophyll auch das Pigment Phycoerythrin enthalten, zeigen sie bei entsprechender Anregung rote Autofluoreszenz. Sie sind ovoid oder zylindrisch geformt^[6] und zwischen 0,6 µm und 1,5 µm groß.

Räumliche Beziehungen zwischen Karbonat- und Polyphosphateinschlüssen innerhalb von Synecho­coccus calci­polaris G9. Die Pfeile mit der roten Linie zeigen Poly­phosphat­einschlüsse in der Nähe von Karbonat­einschlüssen an.^[7]

(a) HAADF-STEM-Aufnahme mit Zellen von Synechococcus calcipolaris G9, gewachsen in BG-11; (e) HAADF-STEM-Bilder von G9-Zellen, gewachsen in MS-2.^{[7][Anm. 2]}

TEM-Tomographie von Ca. Synechococcus calcipolaris G9. (c) Hellfeld-TEM-Bild eines Teils von drei G9-Zellen, die für die tomographische Rekonstruktion der Titelreihe ausgewählt wurden; (d) 3-D-Visualisierung der Rekon­struktion aus Karbonat­einschlüssen, die in (c) gezeigt werden.^[7]

Synechococcus calci­polaris G9, eine Woche gewachsen in BG-11. HAADF-STEM-Auf­nahme von sieben Zellen.^{[Anm. 2]} Ausschnitt:

Die EDXS-Element­karte zeigt Anordnung von Karbonat- (rote Far­ben) und Poly­phos­phat-Ein­schlüs­sen (grü­ne Far­ben).
Balken 1 µm.^[7]

Cryo-EM-Aufnahmen von Mem­branen gefrier­getrockneter Synecho­coccus-Zellen.

In den Zellen lassen sich ähnlich wie bei Gloeomargarita lithophora C7 sowohl Karbonat- als auch Polyphosphat-Einschlüsse nachweisen.^[7] Das deutet darauf hin, dass diese Cyanobakterien in der Lage sind, Stromatolithen zu bilden.

Spezies (Auswahl)

• Synechococcus aeruginosa
• Synechococcus bacillaris
• Synechococcus calcipolaris mit Stamm G9^[7]
• Synechococcus capitatus
• Synechococcus elongatus, Nägeli (1849): Typspezies^[8] mit Stamm PCC 7942, sequenziert.
• „Synechococcus sp. PCC 7002“^[9][1]
• „Synechococcus sp. PCC 7335“^[10][11][12]

• „Synechococcus sp. KORDI-49“^[13][14]
• „Synechococcus sp. JA-2-3B“^[15][14]

Phylogenie

Neuere Phylogenien (Stand 2021) sehen die Gattung Synechococcus polyphyletisch. Sie fassen die marinen Synechococcus und die Gattung Prochlorococcus in einer Klade „mariner Picocyanobacteria“ (auch „marine SynPro-Gruppe“ genannt) zusammen, deren letzter gemeinsamer Ahn (LGA oder MRCA) vor etwa 414 (340 bis 419) Millionen Jahren gelebt hat. Die Auseinanderentwicklung (Divergenz) dieser Gruppe und der Gattungen Cyanobium, Aphanothece, sowie anderer verwandter Synechococcus-Vertreter wird im späten Ediacarium (vor 571 Millionen Jahren) angenommen. S. sp. KORDI-49 steht dabei nahe Prochlorococcus (marine SynPro), S. elongatus zweigt dagegen vom Rest schon sehr viel früher ab; und Synechococcus sp. JA-2-3B steht im Stammbaum der Cyanobakterien fast ganz basal (nach den Gloeobacteria)^[14]

Anwendungen

Forscher der Huazhong-Universität in Wuhan (China) prüfrn, ob sich Cyanobakterien der Spezies S. elongatus zur Sauerstoffversorgung im Gehirn etwa bei Schlaganfallpatienten nutzen lassen. Wegen der Lichtundurchlässigkeit des menschlichen Schädels könnten ggf. sog. upconversion nanoparticles genutzt werden. Bei Bestrahlung mit Infrarotlicht wandeln diese Partikel diese Strahlung in sichtbares Licht um, das dann von den Cyanobakterien zur Sauerstoffproduktion genutzt wird.^[16] Ähnliche Studien mit Cyanobakterien und Mikroalgen und durchsichtigen Kaulquappen (Krallenfroschlarven, Xenopus laevis) wurden im selben Jahr auch an der Ludwig-Maximilians-Universität München durchgeführt. Hier war die Zielrichtung u. a. die Sauerstoffversorgung des Gehirns während einer Operation. Für das Konzept müssen allerdings eine Reihe von Schwierigkeiten gelöst werden: Geraten die Mikroorganismen außer Kontrolle, können sie Schaden anrichten, etwa indem sie zu viel Sauerstoff produzieren (Hypoxie). Ob das Konzept jemals beim Menschen anwendbar sein wird, lässt sich derzeit (2021) noch nicht abschätzen.^[17]

Siehe auch

• Synechocystis
• Prochlorococcus
• Pseudonabaena
• Gloeomargarita lithophora, siehe Rhodoplast, Chloroplast, Plastid

Anmerkungen

1. ↑ prokaryotisches Organell
2. ↑ ^{a b} Abkürzungen:
   HAADF: high angle annular dark field, siehe TEM-Sonderverfahren.
   STEM: scanning transmission electron microscope, siehe Rasterelektronenmikroskop.
   EDXS: energy dispersive X-ray spectrometry

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} NCBI: Synechococcus sp. PCC 7002, complete sequence: NC_010475.1
2. ↑ Palenik et al. (2003): The genome of a motile marine Synechococcus. Nature 424, 1037–1042.
3. ↑ NCBI: Synechococcus sp. PCC 7002 (species)
4. ↑ John D. Wehr, Robert G. Sheath: Freshwater algae of North America: ecology and classification, Seite 81.
5. ↑ B. Brahamsha (1999): Non-Flagellar Swimming in Marine Synechococcus. J. Molec. Microbiol. Biotechnol. (1999) 1(1): 59–62.
6. ↑ D. M. John, Brian A. Whitton, Alan J. Brook: The freshwater algal flora of the British Isles: an identification guide to freshwater and terrestrial algae. Band 1. Cambridge University Press (England) 2002.
7. ↑ ^{a b c d e f} Jinhua Li, Isabel Margaret Oliver, Nithavong Cam et al: Biomineralization Patterns of Intracellular Carbonatogenesis in Cyanobacteria: Molecular Hypotheses,in: MDPI Minerals, Band 6, Nr. 1, 3. Februar 2016, Special Issue Biomineralization: Towards a Unification of Concepts in Chemistry, Physics, Earth Sciences and Biology, 10, doi:10.3390/min6010010
8. ↑ AlgaeBase: Synechococcus C. Nägeli, 1849
9. ↑ NCBI: Synechococcus sp. PCC 7002 (species)
10. ↑ Christopher J. Gisriel, David A. Flesher, Gaozhong Shen, Jimin Wang, Ming-Yang Ho, Gary W. Brudvig, Donald A. Bryant: Structure of a photosystem I-ferredoxin complex from a marine cyanobacterium provides insights into far-red light photoacclimation. In: Journal of Biological Chemistry, Band 298, Nr. 1, Januar 2022, S. 101408; doi:10.1016/j.jbc.2021.101408.
11. ↑ Christopher J. Gisriel, Gaozhong Shen, Ming-Yang Ho, Vasily Kurashov, David A. Flesher, Jimin Wang, William H. Armstrong, John H. Golbeck, Marilyn R. Gunner, David J. Vinyard, Richard J. Debus, Gary W. Brudvig, Donald A. Bryant: Structure of a monomeric photosystem II core complex from a cyanobacterium acclimated to far-red light reveals the functions of chlorophylls d and f. In: Journal of Biological Chemistry, Band 298, Nr. 1, Januar 2022, S. 101424; doi:10.1016/j.jbc.2021.101424.
12. ↑ Photosynthesis: How a Cyanobacterium Makes Far-Red Light Mean “Go”. Auf SciTechDaily vom 15. April 2022. Quelle: Penn State University.
13. ↑ NCBI: Synechococcus sp. KORDI-49 (species)
14. ↑ ^{a b c} G. P. Fournier, K. R. Moore, L. T. Rangel, J. G. Payette, L. Momper, T. Bosak: The Archean origin of oxygenic photosynthesis and extant cyanobacterial lineages, Band 288, Nr. 1959, 29. September 2021, doi:10.1098/rspb.2021.0675, PMID 34583585. Siehe insbes. Fig. 2
15. ↑ NCBI: Synechococcus sp. JA-2-3B… (list)
16. ↑ Schlaganfalltherapie – Photosynthese im Gehirn, auf: orf.at vom 20. Mai 2021.
17. ↑ Suzan Özugur et al.: Green oxygen power plants in the brain rescue neuronal activity, in: Cell iScience, Band 24, Nr. 10, 103158, 22. Oktober 2021, doi:10.1016/j.isci.2021.103158, Epub 13. Oktober 2021. Dazu:
    • Nadja Podbregar: Mikroalgen als grüne Lunge für Gehirn und Gewebe – Photosynthetische Mikroalgen im Blut können Nervenzellen mit Sauerstoff versorgen, auf: scinexx vom 15. Oktober 2021.
    • Carly Cassella: Injecting Algae Into Suffocated Tadpoles Brings Their Brain Cells Back to Life, auf: science^alert vom 15. Oktober 2021 (englisch).