Ammoniak-oxidierende Archaeen galten jahrzehntelang als extrem spezialisiert. Sie sollten ihre Energie ausschließlich aus einer anorganischen Verbindung gewinnen und ihren Kohlenstoff allein aus Kohlendioxid beziehen. Beim Elefantenohrschwamm trifft das nicht zu. Ein Wiener Forschungsteam hat experimentell nachgewiesen, dass der archaeelle Symbiont dieses Tieres zusätzlich Aminosäuren aufnimmt und sogar selbst herstellt. Damit ändert sich das Bild einer der wichtigsten mikrobiellen Partnerschaften im Meer.
Meeresschwämme zählen zu den ältesten noch lebenden Tierstämmen und besiedeln seit Hunderten von Millionen Jahren die Weltmeere. Ihr Bauplan ist denkbar einfach, ihre Leistung dennoch beachtlich. Sie sitzen fest am Meeresboden und pumpen unablässig Wasser durch ein System feiner Kanäle, um daraus kleinste Partikel herauszufiltern. Dabei beherbergen sie in ihrem Gewebe eine Vielzahl von Mikroorganismen, die bei manchen Arten bis zu 35 Prozent des Gewichts ausmachen. Diese Symbiose ist für das Überleben der Tiere zentral, denn die mikrobiellen Partner übernehmen Stoffwechselaufgaben, zu denen der Wirt selbst nicht in der Lage ist. Ohne sie wären viele Schwämme in nährstoffarmen Riffgewässern nicht lebensfähig.
Zu den wichtigsten dieser Partner gehören Ammoniak-oxidierende Archaeen. Sie wirken im Gewebe wie eine Entsorgungsanlage, indem sie das beim Eiweißabbau entstehende und für den Wirt giftige Ammoniak in Nitrit umwandeln. Dieselbe Stoffwechselleistung erbringen verwandte Organismen weltweit in Böden und in der Wassersäule der Ozeane, weshalb sie als tragende Größe im globalen Stickstoffkreislauf gelten. Die Lehrmeinung beschrieb sie bislang als strikte Chemolithoautotrophe, also als Organismen, die Energie aus anorganischen Verbindungen gewinnen und Kohlendioxid als einzige Kohlenstoffquelle nutzen. Genau diese Festlegung stellt die neue Untersuchung für die symbiontische Variante infrage.
Untersucht wurde der tropische Elefantenohrschwamm Ianthella basta und sein Symbiont Nitrosospongia ianthellae. Dieser Organismus ist ein Sonderfall, weil er in seinem Wirt allein für die Ammoniakoxidation zuständig ist und weil der Schwamm anders als viele verwandte Arten keine nitritoxidierenden Mikroben beherbergt. Die Untersuchung stammt von Forschern des Zentrums für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft der Universität Wien unter Leitung von Bettina Glasl und Katharina Kitzinger, beteiligt war auch das Australische Institut für Meeresforschung. Der zugehörige Eintrag im Publikationsverzeichnis der Universität Wien zur Mixotrophie der Symbionten führt die beteiligten Autoren vollständig auf.
Erste Hinweise auf eine größere Flexibilität lieferten bereits die Genome. Anders als viele frei lebende Verwandte besitzen die symbiontischen Archaeen Gene für Transportproteine, die verzweigtkettige Aminosäuren in die Zelle schleusen können. Ein Gen belegt jedoch nur eine Möglichkeit, nicht deren Nutzung. Deshalb arbeitete das Team mit markierten Substraten und verfolgte, ob der Kohlenstoff und der Stickstoff dieser Moleküle tatsächlich in der Zellbiomasse der Archaeen landen. Das Ergebnis fiel eindeutig aus. Valin, Leucin und Isoleucin wurden aufgenommen und eingebaut. Damit liegt der erste direkte experimentelle Beleg dafür vor, dass diese Symbionten mixotroph leben, sich also sowohl aus Kohlendioxid als auch aus organischen Verbindungen versorgen.
Die Einteilung von Mikroorganismen nach ihrer Kohlenstoffquelle ist keine bloße Etikettierung. Sie geht direkt in Modelle ein, die berechnen, wie viel Kohlenstoff und Stickstoff in einem Ökosystem umgesetzt wird. Wird eine Gruppe als rein autotroph geführt, unterstellt das Modell, dass ihr gesamter Zellaufbau aus Kohlendioxid stammt. Nimmt sie stattdessen einen Teil ihres Kohlenstoffs aus dem Gewebe des Wirts auf, verschieben sich die berechneten Flüsse. Wie weit dieser Effekt reicht, ist derzeit offen, denn der Nachweis betrifft zunächst eine einzelne Symbiose. Frei lebende Ammoniak-oxidierende Archaeen in Böden und im offenen Ozean wurden bislang überwiegend als Autotrophe beschrieben, und die Studie widerlegt das nicht.
Aufschlussreich ist der Vergleich mit anderen Lebensräumen. In Böden zählen diese Organismen zu den häufigsten Mikroben überhaupt und tragen wesentlich dazu bei, Ammoniak in pflanzenverfügbares Nitrat zu überführen. Im Ozean bestimmen sie mit, wie viel Stickstoff in der Wassersäule verfügbar bleibt. Dass ausgerechnet die symbiontische Linie eine erweiterte Stoffwechselfähigkeit zeigt, passt zu einem allgemeinen Muster. Organismen, die dauerhaft im Gewebe eines Wirts leben, sind einem konstanten Angebot organischer Verbindungen ausgesetzt und verlieren oder gewinnen Fähigkeiten entsprechend. Ähnliche Anpassungen prägen auch die Evolutionsgeschichte anderer Einzeller, wie Untersuchungen zeigen, in denen Mikroben Rätsel der Evolution komplexer Lebensformen aufklären halfen.
Der aus Sicht der Autoren interessanteste Befund betrifft nicht die Aufnahme, sondern die Produktion. Die Archaeen nehmen verzweigtkettige Aminosäuren nicht nur auf, sie können sie auch selbst herstellen. Damit sind sie grundsätzlich in der Lage, deren Verfügbarkeit im Gewebe ihres Wirts zu beeinflussen. Aminosäuren wirken in vielen Organismen nicht ausschließlich als Baustoff, sondern auch als Signale, etwa bei der Steuerung von Wachstum und Stoffwechsel. Sollte sich dieser Weg bestätigen, ergäbe sich ein bislang unbekannter Mechanismus, über den ein mikrobieller Symbiont mit einem tierischen Wirt kommuniziert. Diese Deutung ist derzeit eine begründete Hypothese und kein belegter Befund.
Für den Nachweis wären weitere Schritte nötig. Man müsste zeigen, dass die vom Symbionten gebildeten Moleküle den Wirt tatsächlich erreichen, dass sie dort an Rezeptoren binden und dass sich messbare Reaktionen einstellen. Solche Experimente sind bei Schwämmen anspruchsvoll, weil sich weder Wirt noch Symbiont bislang unabhängig voneinander kultivieren lassen. Fast alle Erkenntnisse stammen daher aus Ansätzen am intakten Tier, bei denen sich die Beiträge der Partner nur indirekt trennen lassen. Die Kombination aus Genomanalyse, Proteinnachweis und Isotopenmarkierung, wie sie hier eingesetzt wurde, ist derzeit der belastbarste Weg, um dieses Problem zu umgehen.
Die Untersuchung betrifft eine Art in einer klar umgrenzten Situation. Ob andere schwammassoziierte Archaeen ebenso mixotroph leben, ist unbekannt, auch wenn ihre Genome häufig vergleichbare Transportgene enthalten. Ebenso offen ist, wie groß der organische Anteil an der Gesamtversorgung der Zellen tatsächlich ist. Ein nachgewiesener Einbau bedeutet nicht automatisch, dass ein Stoffwechselweg mengenmäßig bedeutsam ist. Für die Einordnung braucht es quantitative Angaben darüber, welcher Anteil des Zellkohlenstoffs aus Aminosäuren und welcher aus Kohlendioxid stammt, und diese Werte dürften je nach Umweltbedingungen schwanken.
Praktische Bedeutung hat die Frage vor allem für Riffökosysteme unter Belastung. Meeresschwämme reagieren empfindlich auf steigende Wassertemperaturen, und ihre mikrobiellen Gemeinschaften verschieben sich dabei häufig, bevor sichtbare Schäden am Tier auftreten. Wenn die Versorgung des Symbionten nicht allein von Ammoniak abhängt, sondern zusätzlich vom Zustand des Wirtsgewebes, verändert das die Erwartung, wie stabil diese Partnerschaft unter Stress bleibt. Belastbare Aussagen dazu liegen bislang nicht vor. Sie setzen Experimente unter kontrollierten Temperatur- und Nährstoffbedingungen voraus, die für den Elefantenohrschwamm noch ausstehen.
bioRxiv, Branched-chain amino acid assimilation promotes mixotrophy of ammonia-oxidizing archaeal sponge symbionts; doi:10.1101/2025.09.09.672702