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Raman microscopy and ecological stoichiometry
opening the black box of the microbial cell
Marvin Pölzl
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Tom Battin
DOI
10.25365/thesis.3390
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29594.75992.487755-0
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die ökologische Stöchiometrie bietet eine Grundlage zur Beschreibung der Bilanz mehrerer chemischer Elemente in ökologischen Wechselbeziehungen. Auf Basis der Konzepte von Sterner & Elser (2002) können so Verbindungen zwischen der Funktion, Physiologie und der elementaren Zusammensetzung, vor allem von Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Phosphor (P), eines Organismus gezogen werden. Zum Verständnis komplexer Funktionen diverser Gemeinschaftsstrukturen habe ich versucht diese zu zerlegen, indem Einflüsse unterschiedlicher Nährstoffversorgung auf die Physiologie eines einzelnen Bakterienstammes, Verrucomicrobium spinosum, untersucht wurden. In diesem Zusammenhang stelle ich einen auf dem Gebiet neuartigen Ansatz vor, basierend auf der Möglichkeit mittels Raman Mikrospektroskopie makromolekulare Bestandteile auf zellulärer Ebene zu messen. Seine Vorteile ermöglichten einen detaillierten Einblick in den Zusammenhang zwischen dem C, N und P Angebot und dessen Zuordnung in zelluläre Biomoleküle, wie zum Beispiel in Kohlenhydrate, Proteine und Nukleinsäuren. Die Aufgabe bestand zuerst aus der Kultivierung von V. spinosum in Batch-Kulturen unter 12 verschiedenen Nährstoffbedingungen. Anschließend wurden die Bakterien an zwei vorher festgelegten Zeitpunkten geerntet. Diese sollten zur Beprobung der logarithmischen und stationären Wachstumsphase dienen, um auch auf wachstumsbedingte Auswirkungen auf die Zusammensetzung zu prüfen. Spektrale Aufnahmen von Verrucomicrobium spinosum in der logarithmischen Wachstumsphase zeigten sehr ähnliche intrazelluläre Muster der makromolekularen Zusammensetzung, nur wenig beeinflusst von den unterschiedlichen Nährstoffkonzentrationen im umliegenden Medium. Dies lässt auf einen hohen Grad an physiologischer Homöostase schließen. In der stationären Phase stellte sich heraus, dass sich Zellen aus Kulturen verschiedener Nährstoffbedingungen in der Zusammensetzung sehr stark unterschieden. Diese hier ausgebildete intrazelluläre Heterogenität wurde durch eine auf die vorliegende nährstoffliche Situation, die in diesem Wachstumsstadium schon durch Limitierungen geprägt werden kann, angepasste Physiologie bedingt. Die mittels Raman Spektroskopie gemessenen Konzentrationen von Kohlenhydraten, Proteinen und Nukleinsäuren auf zellulärer Ebene ergaben repräsentative Werte, die mit traditionellen nasschemischen Methoden, angewendet auf größere Biomassen, zu einem gewissen Grad übereinstimmten. Die gemessenen Konzentrationen dieser drei Komponenten konnten signifikant mit den C:N und C:P Verhältnissen in der Biomasse in Verbindung gebracht werden. Dadurch bestätigt sich die Annahme, dass diese drei Molekülgruppen, hauptsächlich bestehend aus C, N und P, jedoch zu unterschiedlichen Mengen, die wesentlichen Bestandteile in der Zelle ausmachen. Unter Verwendung der Hauptkomponentenanalyse konnten wesentliche Auswirkungen von N und P auf die Anreicherung zellulärer Bestandteile nachgewiesen werden, wobei die Versorgung mit C offensichtlich keinen Einfluss auf die Speichermenge der Kohlenhydrate nahm. Dies bedeutet, dass auch das Vorhandensein von niedrigen C Konzentrationen in den Kulturen in jeder Phase ausreichend Ressourcen angeboten hat. Zusammenfassend ist der angewandte methodische Ansatz imstande, relevante Verbesserungen in der Auffassung von Einflüssen, bedingt durch Ressourcen-Stöchiometrie, auf die mikrobielle Physiologie und im Weiteren auf ökosystemare Funktionen zu erbringen.
Abstract
(Englisch)
Ecological stoichiometry presents a conceptual framework to describe the balance of multiple chemical elements in ecological interrelations. Sterner & Elser (2002) developed ideas to connect an organisms physiology with its elemental constitution, basically focusing on the relative composition of C, N and P. To dissect complex relationships of diverse community structures, I started to examine the influences of variable resource stoichiometry (C:N:P) on the macromolecular composition of a single bacterial strain of Verrucomicrobium spinosum. I suggest a novel approach based on measuring macromolecular constituents on a cellular level using Raman microspectroscopy. The advantages of this are manifold. The technique enabled detailed insight into the connections between external C, N and P resources and their allocation in cellular biomolecules, such as carbohydrates, proteins and nucleic acids. For this work, I used V. spinosum from batch cultures with 12 different resource stoichiometries (CNP). Bacterial cells were harvested during logarithmic and stationary growth to examine growth-dependent (physiological) influences on the intracellular composition. Analyses revealed clear physiological constraints in the logarithmic phase and a higher degree of heterogeneity in the stationary phase. Furthermore, I found good correlations between Raman-derived cell-level results on carbohydrates, proteins and nucleic acids and bulk biomass CNP using traditional chemical analysis. Principal component analysis revealed substantial influences of N and P on the accumulation of the cellular constituents whereas the C supply apparently did not affect the assembly of carbohydrates, since also the low concentration level offered a surplus of C resources. In conclusion, this cell-level approach provides a valuable improvement of the accessibility of how resource stoichiometry affects microbial stoichiometry.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Raman spectroscopy ecological stoichiometry intrcellular macromolecular composition
Schlagwörter
(Deutsch)
Raman Spektroskopie ökologische Stoichiometrie intrazelluläre makromolekulare Zusammensetzung
Autor*innen
Marvin Pölzl
Haupttitel (Englisch)
Raman microscopy and ecological stoichiometry
Hauptuntertitel (Englisch)
opening the black box of the microbial cell
Paralleltitel (Deutsch)
Raman Spektroskopie und ökologische Stöchiometrie: Einblick in die Black Box der mikrobiellen Zelle
Publikationsjahr
2009
Umfangsangabe
39 S.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Tom Battin
AC Nummer
AC08165713
Utheses ID
2967
Studienkennzahl
UA | 444 | | |