Einfluss des Klimawandels auf das Permafrost-Mikrobiom (CRYOLINK)

Der Alpenraum mit seinen Gletschern und Dauerfrostböden (Permafrost) ist besonders vom Klimawandel betroffen. Auftauen des alpinen Permafrosts und Abschmelzen der Gletscher sind das Ergebnis anhaltend warmer Bedingungen während der letzten Jahre. Lange Zeit wurde Permafrost im Alpenraum als „steriles Geröll“ angesehen, in denen Leben nur bedingt existieren kann. Heutzutage wird zunehmend deutlicher, dass diese Gebiete eine einzigartige Nische für kälteangepasste Mikroorganismen darstellen und angesichts ihrer hohen Anfälligkeit für die globale Erwärmung als empfindliche Ökosysteme betrachtet werden.

Das interdisziplinäre Projekt CryoLink erforscht den Permafrost in den Alpen, der Arktis und der Antarktis als Refugium für mikrobielle Lebensformen. Erstmals wurden Proben aus dem alpinen Permafrost und Gletschereis nach Leben abgesucht. Die Resultate überraschten: bis zu 1000 verschiedene Mikroorganismen und mehrere Hundert Viren wurden gefunden, über viele ist bislang nichts oder nur wenig bekannt. Es ist noch unklar, wie die an die Kälte angepassten Mikroorganismen im Permafrost überleben, wie Zellen Metabolismus und sogar Reproduktion betreiben können. Diese Gemeinschaften verfügen über verschiedene Anpassungsstrategien, um unter Extrembedingungen wie beispielsweise Nährstoffknappheit, geringem bis völlig reduziertem Lichtangebot, tiefen Temperaturen oder geringer Verfügbarkeit an flüssigem Wasser zu überleben.

Diese Mikroorganismen waren Tausende von Jahren im Permafrost und im Eis eingeschlossen. Was wird mit ihnen geschehen, wenn sie durch die globale Erwärmung aus ihrem „Dornröschenschlaf“ geweckt werden? Wenn der Permafrost auftaut, besteht die Gefahr, dass biologische und chemische Stoffe freigesetzt werden, die über Zehn- bis Hunderttausende von Jahren eingeschlossen waren. Wenn diese Bestandteile wieder in die Umwelt gelangen, können sie die Funktion des Ökosystems stören, die Populationen der einheimischen Organismen verringern und die menschliche Gesundheit gefährden.

Wir sehen aber mehr das Potential als die Gefahren und Risiken im lebendigen Permafrost. Permafrost ist ein unerschlossener Lebensraum mit vielen unbekannten mikrobiellen Taxa und hat das Potenzial, neuartige chemische Verbindungen zu enthalten (z. B. antimikrobielle Stoffe, Enzyme für den Polymerabbau). Dieser unermessliche Schatz an unbekannten Mikroorganismen in Eis und Permafrost muss jetzt erforscht werden. Der Permafrostboden wird in den nächsten hundert Jahren durch die Klimaerwärmung verschwinden. Zu diesem Zweck haben wir eine einzigartige Sammlung von Mikroorganismenstämmen (Biobank) angelegt. Diese Sammlung bewahrt Bakterien, Hefen und Pilze aus gefährdeten Regionen wie den Schweizer Alpen und enthält bisher mehr als 3'000 Exemplare. Viele der aus dem Permafrost isolierten Mikroorganismen können eine potenziell neue Quelle für Enzyme und bioaktive Verbindungen darstellen, die der Humanmedizin und der Biotechnologie zugute kommen.

Unsere Biobank ist daher eine wertvolle Ressource, um das Potenzial der Bildung von Naturstoffen sowohl durch Bioaktivitätsassays als auch durch Genom-Mining zu untersuchen. Unsere Kombination aus kulturunabhängigem Mikrobiota-Profiling und gross angelegter Isolierung von Permafrostböden wird es uns ermöglichen, diesen unerforschten Schatz an neuen chemischen Verbindungen zu erschließen, der durch steigende Temperaturen gefährdet ist.

Das Projekt CryoLink wurde vom Schweizerischen Nationalfonds, Swiss Polar Institute und Ernst-Göhner Stiftung an Beat Frey vergeben und startete im Jahr 2017.