Mikrobielle dunkle Materie

Die mikrobielle dunkle Materie (englisch microbial dark matter) umfasst die überwiegende Mehrheit der mikrobiellen Organismen (in der Regel Bakterien und Archaeen), die (bisher) von der Mikrobiologie im Labor nicht kultiviert werden kann, weil beispielsweise aufgrund mangelnder Kenntnis oder extremer Lebensbedingungen die erforderlichen Wachstumsbedingungen nicht geschaffen werden können. Die Mikrobielle dunkle Materie hat nichts mit der Dunklen Materie der Physik und Kosmologie zu tun. Sie wird so genannt, weil es schwierig ist, sie effektiv zu untersuchen und weil mit den derzeitigen Methoden ihre Kultivierung nicht möglich ist, sodass diese Organismen in der offiziellen Taxonomie nicht in Erscheinung treten. Sie wird daher (ebenfalls) leicht übersehen, und es ist schwierig, ihr relatives Ausmaß abzuschätzen; eine anerkannte grobe Schätzung geht davon aus, dass etwa 99,999 Prozent aller Mikrobenarten unbekannt sind und nur etwa ein Prozent der mikrobiellen Arten einzelner ökologischen Nischen kultivierbar sind. Man vermutet, dass weniger als die Hälfte der Bakterien- und Archaeen-Phyla (Abteilungen/Stämme, derzeit offiziell höchste taxonomische Rangstufe bei diesen) durch kultivierbare Vertreter belegt sind (Stand 2013) und daher in der offiziellen Taxonomie nicht in Erscheinung treten. In der Tortengrafik der Biota des Catalogue of Life (COL) treten weder Archaeen noch Bakterien in Erscheinung, offenbar weil es im Vergleich zu dem eukaryotischen Phyla viel zu wenig bekannte Spezies gibt.

In den letzten Jahren wurden vermehrt Anstrengungen unternommen, die mikrobielle dunkle Materie zu entschlüsseln, indem DNA-Sequenzen aus Umweltproben mit kulturunabhängigen Methoden wie der Einzelzellgenomik (en. single cell genomics, auch Single cell sequencing: Genomanalyse von Einzelzellen), der Metagenomik sowie der Ko-Kultivierung (gemeinsame Kultivierung mikrobieller Gemeinschaften, etwa Konsortien) gewonnen wurden. Diese Studien ermöglichten Einblicke in die Evolutionsgeschichte und den Stoffwechsel der aufgrund der sequenzierten Genome zu vermutenden Organismen und liefern zudem wertvolle Erkenntnisse, die für eine spätere Kultivierung dieser Mikroben erforderlich sind.

Virale dunkle Materie

Ein Sonderfall ist die virale dunkle Materie (englisch viral dark matter). In der Virologie ist die Situation ähnlich wie in der Mikrobiologie im Allgemeinen: Derzeit sind 10.434 Virusspezies offiziell anerkannt (Stand Ende Juni 2022) Im Jahr 2013 wurde geschätzt, dass die Säugetiere alleine mindestens 320.000 noch unentdeckte Virenarten beherbergen, und einzelne Metagenomstudien können Hinweise auf jeweils zehntausende neuer Virenspezies liefern. Nach Heim et al. (2017) kann die Komplexitätsverteilung nach dem Modell von Stephen J. Gould links fortgesetzt werden, wenn man auch subzelluläre Organismen (Viren) einschließt. Sowohl das Maximimum (Modus) als auch die durch Minimalanforderung gegebene „linke Wand“ verschieben sich dann nach links; das jetzt bei den Viren liegende Maximum ist nochmals größer als bei Beschränkung auf zelluläre Organismen.

Die für zelluläre Mikroorganismen entwickelten neuen Methoden helfen auch hier, eine Übersicht zu bekommen. Insbesondere ist in der Virologie eine Kultivierung der Viren (zusammen mit ihrem Wirt) oder auch nur eine Mikrophotographie von Viruspartikeln für eine offizielle Anerkennung nicht mehr nötig. Für die taxonomische Einordnung erforderlich ist jedoch eine Genomsequenz hinreichender Qualität.

Genetische Dunkle Materie

Von der mikrobiellen und viralen dunklen Materie ist zu unterscheiden der gelegentlich benutzte Begriff „genetische dunklen Materie“ (auch „dunkle Materie des Genoms“), beispielsweise für Bereiche des Genoms, die in microRNA transkribiert werden. Siehe Nichtcodierende Desoxyribonukleinsäure („Junk-DNA“).

Literatur

• Lauren Davis: Shining a Light on Microbial Dark Matter. In: Lab+Life Scientist, Band 28, Nr. 2, Juni/Juli 2017, PP100008671, S. 6–7; PDF.
• Jian-Yu Jiao, Lan Liu, Zheng-Shuang Hua, Bao-Zhu Fang, En-Min Zhou, Nimaichand Salam, Brian P. Hedlund, Wen-Jun Li: Microbial dark matter coming to light: challenges and opportunities. In: National Science Review, Band 8, nwaa280, 2021; doi:10.1093/nsr/nwaa280, PDF, Epub 8. Dezember 2020.

Einzelnachweise

1. Study: Microbial dark matter dominates Earth's environments. Auf: EurekAlert! vom 25. September 2018. Quelle: Study: Microbial dark matter dominates Earth's environments. University of Tennessee, 25. September 2018.
2. J. Filee, F. Tetart, C. A. Suttle, H. M. Krisch: Marine T4-type bacteriophages, a ubiquitous component of the dark matter of the biosphere. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 102, Nr. 35, 2005, ISSN 0027-8424, S. 12471​–12476, doi:10.1073/pnas.0503404102, PMID 16116082, PMC 1194919 (freier Volltext), bibcode:2005PNAS..10212471F. 
3. Rebecca D. Prescott, Tatyana Zamkovaya, Stuart P. Donachie, Diana E. Northup, Joseph J. Medley, Natalia Monsalve, Jimmy H. Saw, Alan W. Decho, Patrick S. G. Chain, Penelope J. Boston: Islands Within Islands: Bacterial Phylogenetic Structure and Consortia in Hawaiian Lava Caves and Fumaroles. In: Front. Microbiol., Sektion: Extreme Microbiology. Forschungsthema: Microbial Roles in Caves, 21. Juli 2022; doi:10.3389/fmicb.2022.934708. Dazu:
   • Carly Cassella: Ancient Lava Caves in Hawai'i Are Teeming With Mysterious Life Forms. Auf: science^alert vom 25. Juli 2022.
   • Ancient Microbial “Dark Matter” – Thousands of Unknown Bacterial Species Discovered in Hawaiian Lava Caves. Auf: SciTechDaily vom 24. Juli 2022.
4. Jeremy A. Dodsworth, Paul C. Blainey, Senthil K. Murugapiran, Wesley D. Swingley, Christian A. Ross, Susannah G. Tringe, Patrick S. G. Chain, Matthew B. Scholz, Chien-Chi Lo, Jason Raymond, Stephen R. Quake, Brian P. Hedlund: Single-cell and metagenomic analyses indicate a fermentative and saccharolytic lifestyle for members of the OP9 lineage. In: Nature Communications. Band 4, Nr. 1854, 14. Mai 2013; doi:10.1038/ncomms2884. PMID 23673639, PMC 3878185 (freier Volltext).
5. COL: Biota
6. Christian Rinke, Robert G. Beiko, Will Hsiao, John Parkinson: Microbiome Analysis: Methods and Protocols (= Methods in Molecular Biology. Band 1849). Springer New York, New York 2018, ISBN 978-1-4939-8728-3, Single-Cell Genomics of Microbial Dark Matter, S. 99–111, doi:10.1007/978-1-4939-8728-3, PMID 30298250. 
7. Jian-Yu Jiao, Lan Liu, Zheng-Shuang Hua, Bao-Zhu Fang, En-Min Zhou, Nimaichand Salam, Brian P. Hedlund, Wen-Jun Li: Microbial dark matter coming to light: challenges and opportunities. In: National Science Review. Band 8, Nr. 3, 1. März 2021, ISSN 2095-5138, S. nwaa280, doi:10.1093/nsr/nwaa280, PMID 34691599, PMC 8288357 (freier Volltext).  Epub 8. Dezember 2020.
8. Brian P. Hedlund, Jeremy A. Dodsworth, Senthil K. Murugapiran, Christian Rinke, Tanja Woyke: Impact of single-cell genomics and metagenomics on the emerging view of extremophile "microbial dark matter". In: Extremophiles. Band 18, Nr. 5, 2014, ISSN 1431-0651, S. 865–875, doi:10.1007/s00792-014-0664-7, PMID 25113821. 
9. Christian Rinke, Patrick Schwientek, Alexander Sczyrba, Natalia N. Ivanova, Iain J. Anderson, Jan-Fang Cheng, Aaron Darling, Stephanie Malfatti, Brandon K. Swan, Esther A. Gies, Jeremy A. Dodsworth, Brian P. Hedlund, George Tsiamis, Stefan M. Sievert, Wen-Tso Liu, Jonathan A. Eisen, Steven J. Hallam, Nikos C. Kyrpides, Ramunas Stepanauskas, Edward M. Rubin, Philip Hugenholtz, Tanja Woyke: Insights into the phylogeny and coding potential of microbial dark matter. In: Nature. Band 499, Nr. 7459, 2013, S. 431–437, doi:10.1038/nature12352, PMID 23851394, bibcode:2013Natur.499..431R. 
10. Simon Roux, Steven J. Hallam, Tanja Woyke, Matthew B. Sullivan: Viral dark matter and virus–host interactions resolved from publicly available microbial genomes. In: eLife 4:e08490, 22. Juli 2015; doi:10.7554/eLife.084.
11. Katherine J. Wu: There are more viruses than stars in the universe. Why do only some infect us? Auf: National Geographic vom 15. April 2020.
12. ICTV Taxonomy, ICTV Master Species List 2021.v2, MSL #37 v2 Stand 13. Juni 2022, veröffentlicht 28. Juni 2022.
13. Rebecca Morelle: Mammals harbour 'at least 320,000 new viruses'. BBC, 3. September 2012, abgerufen am 25. Dezember 2021. 
14. Luis F. Camarillo-Guerrero, Alexandre Almeida, Guillermo Rangel-Pineros, Robert D. Finn, Trevor D. Lawley: Massive expansion of human gut bacteriophage diversity. In: Cell. Band 184, Nr.&mnsp;4, S. 1098–1109.e9, 18, Februar 2021; doi:10.1016/j.cell.2021.01.029. Dazu:
    • Daniel Lingenhöhl: Der Darm beherbergt zehntausende unbekannte Virenarten. Auf: spektrum.de vom 19. Februar 2021.
15. Noel A. Heim, Jonathan Louis Payne, Seth Finnegan, Matthew L. Knope, Michał Kowalewski, S. Kathleen Lyons, Daniel W. McShea, Philip M. Novack-Gottshall, Felisa A. Smith, Steve C. Wang: Hierarchical complexity and the size limits of life. In: Proc. R. Soc. B. Band 284, Nr. 1857; 21. Juni 2017, S. 20171039; doi:10.1098/rspb.2017.1039. PMID 28637850, PMC 5489738 (freier Volltext), ResearchGate. Siehe insbes. Fig. 1: Aggregated distributions of organismal size. (a) The hypothetical unimodal right-skewed distribution of organismal sizes expected under the Gould model (Aggregierte Verteilungen der Organismengröße. (a) Die hypothetische unimodale rechtsschiefe Verteilung der Organismengrößen, die nach dem Gould-Modell erwartet wird).
16. Thousands of viruses identified in viral “dark matter”. In: eLife vom 4. Februar 2020.
17. ICTV Online. ICTV.
18. Grygoriy Zolotarov, Bastian Fromm, Ivano Legnini, Salah Ayoub, Gianluca Polese, Valeria Maselli, Peter J. Chabot, Jakob Vinther, Ruth Styfhals, Eve Seuntjens, Anna Di Cosmo, Kevin J. Peterson, Nikolaus Rajewsky: MicroRNAs are deeply linked to the emergence of the complex octopus brain. In: Science Advances, Band 8, Nr. 47, 25. November 2022; doi:10.1126/sciadv.add9938. Dazu:
    • New Research Could Link Evolution of Complex Life to Genetic “Dark Matter”. Auf: SciTechDaily vom 21. Januar 2023. Quelle: Dartmouth College und Max-Delbrück-Centrum (MDC).