# Nitrosopumilus maritimus

Nitrosopumilus maritimus ist eine Spezies (Art) von Archaeen, die im Meerwasser sehr häufig vorkommt. Diese Art ist das erste Mitglied der Gruppe 1a der Thaumarchaeota (Ordnung Nitrosopumilales, auch MG-I, Marine Group I), die in Reinkultur isoliert werden konnte. Gensequenzen deuten darauf hin, dass die Nitrosopumilales im oligotrophen Bereichen der Ozeanoberflächen allgegenwärtig sind und in den meisten nicht zu küstennahen Meereszonen der Erde vorkommen. Mit einem Durchmesser von 0,2 μm gehören die Zellen von N. maritimus zu den kleinsten lebenden Organismen. Sie haben die ungefähre Form von Erdnüssen und kommen sowohl einzeln als auch in losen Aggregaten vor. N. maritimus lebt von der Oxidation von Ammoniak (bzw. Ammonium-Ionen) zu Nitrit. Die Art ist in der Lage, Ammoniak in einer Konzentration von nur 10 nᴍ (nmol/m³) zu oxidieren, was nahe an der für seine Lebenserhaltung erforderlichen Untergrenze liegt. Dieser Organismus ist in der Meeresumwelt häufig anzutreffen, man findet ihn insbesondere in sauerstoffreichen Regionen der Meere, und am Boden der photischen Zone, wo die Menge an Ammonium und Eisen ausreicht, um sein Wachstum zu unterstützen. N. maritimus lebt aber auch in sauerstoffarmen Lebensräumen. Der für die Oxidation von Ammoniak benötigte Sauerstoff wird offenbar über einen neuartigen Stoffwechselweg produziert, der Sauerstoff (O$_2$) und Distickstoff (N$_2$) erzeugt. N. maritimus gehört somit zu den Organismen, die im Dunkeln Sauerstoff produzieren können.
N. maritimus (Stamm SCM1) wurde von einer Gruppe unter der Leitung von David Stahl (University of Washington) aus dem Sediment eines tropischen Beckens im Seattle Aquarium isoliert.

## Beschreibung
### Lipidmembranen

Die Populationen von N. maritimus sind wahrscheinlich die Hauptquelle von Glycerindialkylglycerintetraethern (englisch Glycerol dialkyl glycerol tetraethers, GDGTs) im Ozean, einer Gruppe von Verbindungen, die als „intakte polare Lipide“ (en. intact polar lipids, IPLs) zusammen mit Crenarchaeol die einschichtigen Lipid-Zellmembranen bildet.
Es wird angenommen, dass diese Membranstruktur die Proton Motive Force (ΔP oder PMF) maximiert. Die in der Membran dieser Organismen gefundenen Verbindungen (GDGTs, IPLs, Crenarchaeol) können als Biomarker für das Vorhandensein von Thaumarchaeota in der Wassersäule nützlich sein. Man hat auch festgestellt, dass diese Archaeen die Zusammensetzung ihrer Membran in Abhängigkeit von der Temperatur (durch GDGT-Cyclisierung, en. GDGT cyclization), von der Wachstumsphase, vom Stoffwechselzustand, und, wenn auch weniger stark, vom pH-Wert ändern.

### Zellteilung

Euryarchaeota, Crenarchaeota und Thaumarchaeota sind drei Hauptgruppen der Archaeen, die sich durch Zellteilung vermehren. Euryarchaeota und Bakterien benutzen bei der Zellteilung den FtsZ-Mechanismus, während Crenarchaeota sich mit Hilfe des sog. Cdv-Mechanismus teilen. Thaumarchaeota wie N. maritimus nutzen jedoch beide Mechanismen, FtsZ und Cdv. Allerdings wurde auch festgestellt, dass N. maritimus bei der Zellteilung hauptsächlich Cdv-Proteine und nicht solche von FtsZ verwendet; in diesem Fall ist also Cdv das primäre System bei der Zellteilung. Das ist offenbar auch der Grund, warum N. maritimus für die Replikation seines Genoms von 1,645 Mbp (Megabasenpaaren) 15 bis 18 Stunden benötigt.

### Stoffwechsel

Ammoniak-oxidierende Bakterien (en. Ammonia-oxidizing bacteria, AOB) haben ein chemolithoautotrophes Wachstum unter Verwendung von anorganischem Kohlenstoff. N. maritimus gehört analog zu den Ammoniak-oxidierenden Archaeen (en. Ammonia-oxidizing archaea, AOA) und zeigt daher einen ähnlichen Wachstumsprozess. Während die AOB den Calvin-Bassham-Benson-Zyklus (CBB) mit dem CO$_2$-fixierenden Enzym Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase/-oxygenase (RuBisCO) als Schlüsselenzym nutzt, arbeitet und wächst N. maritimus aufgrund des Fehlens entsprechender Gene (und damit Enzyme) mit einem alternativen Weg. Die Spezies nutzt stattdessen eine Variante des 3-Hydroxypropionat/4-Hydroxybutyratzyklus, um sich autotroph zu entwickeln; was ihr ermöglicht, Kohlenstoff zu assimilieren. Die Verwendung des 3-Hydroxypropionat/4-Hydroxybutyrat-Wegs anstelle des Calvin-Zyklus könnte N. maritimus sogar einen Wachstumsvorteil verschaffen, da der Prozess energieeffizienter ist. Aufgrund dieser Besonderheit spielt N. maritimus eine wesentliche Rolle im Kohlenstoff- und Stickstoff­kreislauf.

#### Ammoniak-Oxidation

Die Isolierung und Sequenzierung des Genoms von N. maritimus hat es ermöglicht, den Einblick in die Physiologie dieser Organismen zu erweitern. N. maritimus war das erste Archaeon mit einem ammoniakoxidierenden Stoffwechsel, das untersucht wurde.
N. maritimus erhält Energie für seine lebenswichtigen Funktionen aus der Oxidation von Ammoniak und der Reduktion von Sauerstoff unter Bildung von Nitrit, die Kohlenstoffquelle ist Kohlenstoffdioxid (CO$_2$). Es wird vom Mikroorganismus über den 3-Hydroxypropionat/4-Hydroxybutyratzyklus gebunden und assimiliert. N. maritimus führt dadurch den ersten Schritt der Nitrifikation durch, weshalb es eine Schlüsselrolle im Stickstoffkreislauf entlang der Wassersäule einnimmt. Da diese Oxidationsreaktion nur wenig Energie freisetzt, ist das Wachstum dieses Mikroorganismus langsam. Das Genom von N. maritimus enthält das Gen amoA, das für das Enzym Ammoniak-Monooxygenase (en. Ammonia monooxygenase, AMO) kodiert. Dieses Enzym ermöglicht die Oxidation von Ammoniak zu Hydroxylamin (NH$_2$OH). Im Genom fehlt jedoch das Gen, das für die Hydroxylamin-Oxidoreduktase (en. Hydroxylamine oxidoreductase, HAO) kodiert, die bei anderen Organismen eine Oxidation des Hydroxylamins (NH$_2$OH) zu Nitrit ermöglicht. Aber auch bei N. maritimus hat das Hydroxylamin die Rolle eines Metaboliten (Zwischenprodukts), der bei der Stoffwechselreaktion sofort verbraucht wird. Daher muss bei N. maritimus dieser Teil des Stoffwechselwegs auf andere Weise bewerkstelligt werden. Weitere bekannte Zwischenprodukte bei diesem Stoffwechselweg sind: Stickstoffmonoxid (NO), Distickstoffmonoxid (N$_2$O) und Nitroxyl (HN=O). Diese sind in hohen Konzentrationen giftig. Für den Stoffwechselweg von N. maritimus wurden zwei Hypothesen vorgeschlagen, an denen jeweils zwei Arten von Enzymen beteiligt sind: ein Enzym auf Kupferbasis (Cu-ME) – vgl. Liu (2016) und „Vitalstoff-Lexikon“ – und das Enzym Nitritreduktase (nirK) und sein Reverses:
* Im ersten Fall wird des Zwischenprodukt Hydroxylamin und ein Molekül Stickoxid durch ein Enzym auf Kupferbasis (Cu-ME) unter Bildung von zwei Molekülen Nitrit oxidiert. Eines dieser Moleküle wird von der Nitritreduktase (nirK) zu NO reduziert und geht zurück an das Cu-ME-Enzym. Es findet eine Elektronenverschiebung statt, die eine Proton Motive Force (PMF) erzeugt und die ATP-Synthese ermöglicht.
* Im zweiten Fall oxidieren die beiden Enzyme nirK und Cu-ME das Hydroxylamin zu Stickstoffoxid und dieses zu Nitrit, wobei Einzelheiten noch unbestimmt sind. Bei dieser Art des Stoffwechsels wird zusätzlich Distickstoffoxid freigesetzt, ein wichtiges Treibhausgas, das wahrscheinlich ein Ergebnis der abiotischen Denitrifikation von Metaboliten darstellt.

## Etymologie

Der erste Teil des Gattungsnamens Nitrosopumilus leitet sich ab von lateinisch nitrosus, das seinerseits von altgriechisch νίτρον nítron, deutsch ‚Salpeter‘ abstammt, und Nitrate oder Nitrite bezeichnet (Kalisalpeter, Chilesalpeter, nicht zu verwechseln mit Natron oder der Chemikalie Nitron), vgl. Bakteriengattung Nitrosomonas. Der zweite Teil kommt von lat. pumilus ‚Zwerg‘. Der Name bedeutet also „Zwerg, der Nitrat (oder Nitrit) produziert“.
Das Artepitheton maritimus ist ebenfalls lateinisch und bedeutet „zum Meer gehörend“, was den Lebensraum dieser Organismen beschreibt.

## Phylogenie

Das folgende Kladogramm wurde der GTDB 06-RS202 (Genome Taxonomy Database) entlehnt:

## Ökologie
### Habitate

N. maritimus kommt hauptsächlich in oligotrophen (nährstoffarmen) offenen Ozeanen in der pelagischen Zone (d. h. uferfern, oberhalb der Bodenzone) vor. Entdeckt wurde N. maritimus ursprünglich in einem Aquarium in Seattle, die Art besiedelt aber zahlreiche Lebensräume wie den subtropischen Nordpazifik und den Südatlantik. Vorkommen gibt es in der mesopelagischen Zone im (gesamten) Pazifik besiedeln. N. maritimus ist ein aerobes Archaeon, das auch bei einer extrem niedrigen Nährstoffkonzentration wachsen kann, so wie im dunklen, tiefen offenen Ozean, wo N. maritimus eine wichtige Rolle spielt.

### Nitrifikation der Ozeane

Die Oxidation von Ammoniak zu Nitrat durch N. maritimus ist der erste Schritt des Stickstoffkreislaufs. Ammoniak und Nitrat sind die beiden Nährstoffe, die den anorganischen Stickstoffpool bilden. In nährstoffarmen Umgebungen ohne organische Energiequellen, aber hier auch ohne Sonnenlicht, kann die Oxidation von Ammoniak zur Primärproduktivität beitragen. Nitrat trägt etwa zur Hälfte zur Produktion von Phytoplankton bei, aber nicht nur das Phytoplankton benötigt Nitrat. Die hohe Affinität zu Ammoniak ermöglicht es N. maritimus, weitgehend mit anderen marinen Phototrophen und Chemotrophen zu konkurrieren. Der Ammoniumumsatz pro Biomasseeinheit ist bei N. maritimus etwa fünfmal höher als der Umsatz oligotroph-heterotropher Organismen, und etwa 30-mal höher als der Umsatz der meisten bekannten oligotrophen Diatomeen (Kieselalgen). Aus diesen Beobachtungen ergibt sich, dass die Nitrifikation durch N. maritimus eine Schlüsselrolle im marinen Stickstoffkreislauf spielt.

### Auswirkungen auf den Kohlenstoff- und Phosphor-Haushalt

Durch seine Fähigkeit, anorganischen Kohlenstoff über einen alternativen Weg (3-Hydroxypropionat/4-Hydroxybutyratzyklus) zu binden, kann N. maritimus effizient am Fluss des globalen Kohlenstoffhaushalts teilnehmen. In Verbindung mit dem Ammoniak-oxidierenden Weg recyceln N. maritimus und die anderen marinen Thaumarchaeen etwa 4,5 % des in den Ozeanen mineralisierten organischen Kohlenstoffs und wandeln 4,3 % des detritischen Phosphors in neue Phosphorsubstanzen um.

## Viren

Archaeen der Gattung Nitrosopumilus werden von Viren der Familie Thaspiviridae parasitiert, darunter befinden sich eine Reihe von Stämmen oder Isolaten, die englisch als Nitrosopumilus spindle-shaped viruses (NSVs) bezeichnet werden. Nach der in PNAS veröffentlichten Studie von Kim et al. (2019) infizieren die Virenstämme NSV1, NSV2 und NSV3 den Nitrosopumilus-Stamm SW (Surface water, im Taxonomy Browser des National Center for Biotechnology Information – NCBI – als nicht-klassifizierte Spezies Nitrosopumilus sp. SW gelistet) aus dem Gelben Meer (bei Korea). Sie sind nach dieser Studie dagegen nicht in der Lage, eine Reihe anderer Nitrosopumilus-Stämme zu infizieren, darunter auch der Referenzstamm SCM1 von N. maritimus. Allerdings clustert der Stamm SW mit den beiden Stämmen SCM1 und NAOA6 von Nitrosopumilus maritimus (siehe Supplement, Fig. S1), könnte also möglicherweise derselben Spezies angehören. Der Unterschied in der Virusanfälligkeit der verschiedenen Nitrosopumilus-Stämme ist offenbar nur durch geringfügige Unterschiede bedingt, wie etwa verschieden gut wirkende Abwehrmechanismen der Archaeen oder das Vorhandensein spezifischer Virusrezeptoren an der Oberfläche der Archaeenzellen.
Im (angenommenen) Vorschlag von Kim et al. (2019) an des International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) heißt es aber, dass NSV1, NSV2 und NSV3 den Stamm Nitrosopumilus maritimus SCM1 infizieren. Das ICTV hat 2020 für diese Stämme die gemeinsame Virusspezies Nitmarvirus NSV1 geschaffen, monotypisch in der Gattung Nitmarvirus der Familie Thaspiviridae (aktueller Stand Januar 2022).

## Literatur und Weblinks

* Daniel Lingenhöhl: Leben in der Tief­see: Sauer­stoff ohne Fotosynthese. Auf: spektrum.de vom 7. Januar 2022.
* Martin Vieweg: Überraschender Befund: Sauer­stoff­pro­duktion in dunkler Tiefe. Auf: wissenschaft.de vom 10. Januar 2022 (mit Foto).
* David Nield: Microbes in The Ocean Depths Can Make Oxygen Without Sun. This Discovery Could Be Huge. Auf: science$^{alert}$ vom 11. Januar 2022 (englisch).
* William W. Metcalf, Benjamin M. Griffin, Robert M. Cicchillo, Jiangtao Gao, Sarath Chandra Janga, Heather A. Cooke, Benjamin T. Circello, Bradley S. Evans, Willm Martens-Habbena, David A. Stahl, Wilfred A. van der Donk: Synthesis of Methylphosphonic Acid by Marine Microbes: A Source for Methane in the Aerobic Ocean. In: Science. 337. Jahrgang, Nr. 6098, 31. August 2012, S. 1104​–1107, doi:10.1126/science.1219875, PMID 22936780, PMC 3466329 (freier Volltext), bibcode:2012Sci...337.1104M (science.org). .
* Christoph Reitschuler, Philipps Lins, Andreas Otto Wagner, Paul Illmer: Cultivation of moonmilk-born non-extremophilic Thaum and Euryarchaeota in mixed culture. In: Anaerobe. 29. Jahrgang, Nr. 1, Oktober 2014, S. 73–79, doi:10.1016/j.anaerobe.2013.10.002, PMID 24513652 (sciencedirect.com).