Morphologischer und biochemischer Aufbau von Silikatnadeln der Hexactinelliden am Beispiel von Monorhaphis chuni

Schon 1904 beschrieb Schulze den Aufbau von Silikatnadeln des Schwammes Monorhaphis chuni, eines Mitglieds der zweiten Familie von biosilifizierenden Schwämmen, den Hexactinelliden (Glasschwämmen). Weitergehende morphologische Untersuchungen und biochemische Analysen insbesondere mit modernen Methoden wurden an Hexactinelliden bisher kaum durchgeführt. Ziel der vorliegenden Arbeit bestand deshalb darin, Untersuchungen zur Morphologie, der chemischen Zusammensetzung, der Verteilung und Charakterisierung der beteiligten anorganischen und organischen Komponenten sowie einen molekularbiologischer Nachweis der Existenz von Silicatein in Hexactinelliden durchzuführen. Für diese Untersuchungen wurden zwei Spezies verwendet: Monorhaphis chuni und Crateromorpha meyeri. Mittels Elektronen-Mikrosonden-Technik wurde an Querschnitten der Pfahlnadel von M. chuni die Verteilung der Elemente innerhalb der Nadel untersucht. Am äußeren Rand der Nadel (150 µm) traten im Vergleich zur Nadelmitte prägnante Unterschiede in der Konzentration von Kaliumoxid und Natriumoxid auf. Diese Ergebnisse deuten auf das Vorhandensein eines ähnlichen Transportsystems zur Anreicherung von Silizium/Silikat bei der Nadelbildung hin, wie es bereits in S. domuncula bekannt ist. Mit elektronen- und lichtmikroskopischen Untersuchungen wurden die organischen Substanzen der Silikatnadel nachgewiesen und deren Verteilung innerhalb dieser Nadeln analysiert. In der lamellaren Zone befindet sich, eine säurelabile organische Netzstruktur, sowie eine, die Silikatschichten durchspannende, säulenähnliche Struktur. Im Axialzylinder zeigt das organische Material eine leicht verzweigte fibrilläre Anordnung. Mit biochemischen Verfahren wurden die organischen Komponenten der Nadeln detaillierter untersucht. Mehrere Proteine mit Molekulargewichten von 17, 24, 27 ,30, 36 und 70 kDa wurden durch gelelektrophoretische Analysen von Material der Pfahlnadel identifiziert. Die Analyse isolierter Anteile der lamellaren Zone zeigte ausschließlich ein 27 kDa Protein. Die restlichen Proteinbanden konnten hier nicht nachgewiesen werden. Das 27 kDa Protein reagierte im Westernblot mit Antikörpern gegen Silicatein aus S. domuncula. Ein weiteres Protein wurde näher charakterisert. Ein positiver Agglutinationsassay wies ein lectinähnliches Molekül innerhalb der Nadeln nach, wie es aus S. domuncula bekannt ist. Nach einer Deglycolysierung der Proteine reduzierte sich das scheinbare Molekulargewicht der 36 kDa Bande auf 30 kDa. Durch molekularbiologische Untersuchungen wurde erstmals in Hexactinelliden die Existenz von Silicatein nachgewiesen. Nach Isolierung der Gesamt-RNA von Crateromorpha meyeri, RT-PCR und Amplifizierung mit silicateinspezifischen Primern wurde eine 549 kBp Nukleotidsequenz gefunden, die auf Aminosäureebene starke Homologien (76% identische Aminosäuren) zu bekannten Silicateinen der Demospongia aufweist. Die Aminosäuren der katalytische Triade des Silicateins, essenziell für die enzymatische Katalyse des Enzyms, sind an den selben Positionen wie bei bekannten Silicateinen vorhanden.

Siliceous deep-sea sponge Monorhaphis chuni: A potential paleoclimate archive in ancient animals

The deep-sea sponge Monorhaphis chuni forms giant basal spicules, which can reach lengths of 3 m; they represent the largest biogenic silica structures on Earth that is formed from an individual metazoan. The spicules offer a unique opportunity to record environmental change of past oceanic and climatic conditions. A giant spicule collected in the East China Sea in a depth of 1110 m was investigated. The oxygen isotopic composition and Mg/Ca ratios determined along center-to-surface segments are used as geochemical proxies for the assessment of seawater paleotemperatures. Calculations are based on the assumption that the calculated temperature near the surface of the spicule is identical with the average ambient temperature of 4 degrees C. A seawater temperature of 1.9 degrees C is inferred for the beginning of the lifespan of the Monorhaphis specimen. The temperature increases smoothly to 2.3 degrees C, to be followed by sharply increased and variable temperatures up to 6-10 degrees C. In the outer part of the spicule, the inferred seawater temperature is about 4 degrees C. The lifespan of the spicule can be estimated to 11,000 +/- 3000 years using the long-term trend of the inferred temperatures fitted to the seawater temperature age relationships since the Last Glacial Maximum. Specimens of Monorhaphis therefore represents one the oldest living animals on Earth. The remarkable temperature spikes of the ambient seawater occurring 9500-3100 years B.P. are explained by discharges of hydrothermal fluids in the neighborhood of the spicule. The irregular lamellar organization of the spicule and the elevated Mn concentrations during the high-temperature growth are consistent with a hydrothermal fluid input. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

The relevance of the silica metabolizing enzyme silicatein-alpha to biomineralization and the formation of biogenic silica in siliceous sponges

Die technische Silikatproduktion erfordert in der Regel hohe Temperaturen und extreme pH-Werte. In der Natur hingegen haben insbesondere Kieselschwämme die außergewöhnliche Fähigkeit, ihr Silikatskelett, das aus einzelnen sogenannten Spiculae besteht, enzymatisch mittels des Proteins Silicatein zu synthetisieren. rnIm Inneren der Spiculae, im zentralen Kanal, befindet sich das Axialfilament, welches hauptsächlich aus Silicatein-α aufgebaut ist. Mittels Antikörperfärbungen und Elektronenmikroskopischen Analysen konnte festgestellt werden, dass Silicatein in mit Kieselsäure-gefüllten Zellorganellen (silicasomes) nachzuweisen ist. Mittels dieser Vakuolen kann das Enzym und die Kieselsäure aus der Zelle zu den Spiculae im extrazellulären Raum befördert werden, wo diese ihre endgültige Länge und Dicke erreichen. Zum ersten Mal konnte nachgewiesen werden, dass rekombinant hergestelltes Silicatein-α sowohl als Siliciumdioxid-Polymerase als auch Siliciumdioxid-Esterase wirkt. Mittels Massenspektroskopie konnte die enzymatische Polymerisation von Kieselsäure nachverfolgt werden. Durch Spaltung der Esterbindung des künstlichen Substrates Bis(p-aminophenoxy)-dimethylsilan war es möglich kinetische Parameter der Siliciumdioxid-Esterase-Aktivität des rekombinanten Silicateins zu ermitteln.rnZu den größten biogenen Silikatstukuren auf der Erde gehören die Kieselnadeln der Schwammklasse Hexactinellida. Nadelextrakte aus den Schwammklassen Demospongien (S. domuncula) und Hexactinellida (M. chuni) wurden miteinander verglichen um die potentielle Existenz von Silicatein oder Silicatein-ähnliche Molekülen und die dazu gehörige proteolytischen Aktivität nachzuweisen. Biochemische Analysen zeigten, dass das 27 kDA große isolierte Polypeptid in Monoraphis mehrere gemeinsame Merkmale mit den Silicateinen der Demospongien teilt. Dazu gehören die Größe und die Proteinase-Aktivität. rnUm die Frage zu klären, ob das axiale Filament selbst zur Formbildung der Skelettelemente beiträgt, wurde ein neues mildes Extraktionsverfahren eingeführt. Dieses Verfahren ermöglichte die Solubilisierung des nativen Silicateins aus den Spiculae. Die isolierten Silicateine lagen als Monomere (24 kDa) vor, die Dimere durch nicht-kovalente Bindungen ausbildeten. Darüber hinaus konnten durch PAGE-Gelelektrophorese Tetramere (95 kDa) und Hexamere (135 kDa) nachgewiesen werden. Die Monomere zeigten eine beträchtliche proteolytische Aktivität, die sich während der Polymerisationsphase des Proteins weiter erhöhte. Mit Hilfe der Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie (TEM) konnte die Assemblierung der Proteine zu filamentartigen Strukturen gezeigt werden. Die Selbstorganisation der Silicatein-α-Monomeren scheint eine Basis für Form- und Musterbildung der wachsenden Nadeln zu bilden.rn Um die Rolle des kürzlich entdeckten Proteins Silintaphin-1, ein starker Interaktionspartner des Silicatein-α, während der Biosilifizierung zu klären, wurden Assemblierungs-Experimente mit den rekombinanten Proteinen in vitro durchgeführt. Zusätzlich wurde deren Effekt auf die Biosilikatsynthese untersucht. Elektronenmikroskopische Analysen ergaben, dass rekombinantes Silicatein-α zufällig verteilte Aggregate bildet, während die Koinkubation beider Proteine (molekulares Verhältnis 4:1) über fraktal artige Strukturen zu Filamenten führt. Auch die enzymatische Aktivität der Silicatein-α-vermittelte Biosilikatsynthese erhöhte sich in Gegenwart von Silintaphin-1 um das 5,3-fache. rn

Freshwater sponge spicules: a new agent of ocular pathology

In a recent outbreak of human ocular injuries that occurred in the town of Araguatins, at the right bank of Araguaia river, state of Tocantins, Brazil, along the low water period of 2005, two patients (8 and 12-year-old boys) presented inferior adherent leukoma in the left eye (OS), and peripherical uveites, with snowbanking in the inferior pars plana. The third one (13-year-old girl) showed posterior uveites in OS, also with snowbanking. Histopathological analysis of lensectomy material from the three patients and vitrectomy from the last one revealed several silicious spicules (gemmoscleres) of the freshwater sponges Drulia uruguayensis and D. ctenosclera. This work brings material evidences, for the first time in the literature, that freshwater sponge spicules may be a surprising new etiological agent of ocular pathology.

Développement du squelette du crinoïde Florometra serratissima et évolution des protéines de la matrice de spicules chez les ambulacraires

Les crinoïdes sont bien connus pour leurs fossiles, mais la biominéralisation de leurs stades larvaires n’est que peu documentée. La première partie du projet présente le développement des ossicules des trois stades larvaires du comatule Florometra serratissima : doliolaria, cystidienne et pentacrinoïde. Les ossicules du crinoïde démontraient de la plasticité phénotypique et de la désynchronisation dans leur développement. Les crinoïdes étant la classe basale des échinodermes modernes, ceci porte à croire que ces traits étaient aussi caractéristiques des échinodermes ancestraux et auraient joué un rôle dans la radiation hâtive et la grande disparité des échinodermes. Pour notre deuxième étude, comme les patrons de morphologie des crinoïdes et des autres échinodermes sont nombreux et sont régulés par des protéines spécifiques, nous avons vérifié la présence de quatre familles de protéines de la matrice de spicules (SMAP) connues chez les oursins dans les transcriptomes des autres échinodermes et d’autres deutérostomes. La famille des spicules matrix (SM) et l’anhydrase carbonique CARA7LA étaient absentes chez tout autre organisme que les oursins, les protéines spécifiques au mésenchyme (MSP130) étaient présentes en nombres différents chez tous les ambulacraires suggérant de multiples duplications et pertes, et les métalloprotéases étaient nombreuses chez chacun. Le développement des ossicules chez les échinodermes est un sujet qui a gagné en popularité au cours des dernières décennies, spécialement chez les oursins, et inclure les crinoïdes dans ce type d’étude permettra de nous renseigner sur l’origine et l’évolution des échinodermes modernes.

Sponge spicules indicate Holocene environmental changes on the Nabileque River floodplain, southern Pantanal, Brazil

Sponge spicules are siliceous microfossils that are especially useful for analysis of sandy fluvio-lacustrine sediments. Sponge spicules in a long sediment core (~550 cm below surface), consisting of fine sand, sandy silt, and organic-rich mud, recovered from the floodplain of the Nabileque River, southern Pantanal, Brazil (S20°16′38. 3″/W57°33′00. 0″), form the basis of a novel paleoenvironmental interpretation for this region. Optically stimulated luminescence dates constrain the timing of deposition to the middle-late Holocene and all spicules identified are typical of the Brazilian cerrado biome. The base of the section is dominated by Oncosclera navicella Carter 1881, Metaniaspinata Carter 1881, and Corvospongilla seckti Bonetto and Ezcurra de Drago 1966, which indicate a lotic to semi-lotic environment strongly influenced by an actively meandering river channel at ~6. 7-5. 7 ka BP. The appearance of Heterorotula fistula Volkmer-Ribeiro and Motta 1995, Dosilia pydanieli Volkmer-Ribeiro 1992 and Radiospongilla amazonensis Volkmer-Ribeiro and Maciel 1983 at ~340 cm downcore suggests a reduction in flowing water and a more stable lentic environment, consistent with deposition in an oxbow lake. This oxbow lake environment existed during an interval of regional aridity between ~4. 5 and 3. 9 ka BP. Spicules, as well as phytoliths and diatoms, are highly variable moving up-section, with species from both lotic and lentic ecosystems present. Above ~193 cm, the total abundance of spicules declines, consistent with wetter climate conditions and development of an underfit river similar to the modern floodplain. Results support hypotheses related to migration of the Paraguay River inferred from geomorphological studies and add a key southern-region dataset to the emerging Holocene database of paleoenvironmental records from the Pantanal wetlands. © 2012 Springer Science+Business Media Dordrecht.

Dangerous waters: outbreak of eye lesions caused by fresh water sponge spicules

Purpose To describe an extremely uncommon outbreak of eye lesions in a specific area of the Brazilian Amazonia. Methods Prospective noncomparative case series. Fifty-nine patients who developed eye lesions after swimming in the Araguaia river of Tocantins state in Brazil were examined. A team of ophthalmologists equipped with a slit-lamp, gonioscopic lenses, and indirect ophthalmoscopy performed full eye examination. Analysis of the flora and fauna of the river water was undertaken by a group of experts. Results and Conclusions Eighty-three eyes were affected. The most common lesions were corneal opacities seen in 34 eyes and conjunctival nodules diagnosed in 12 eyes. Severe visual acuity loss was detected in seven children with unilateral anterior chamber lesions. Spicules of the sponge species Drulia uruguayensis and Drulia ctenosclera were found inside three blind eyes that have been enucleated for diagnostic purposes. All eye lesions could be attributed to an outbreak of foreign bodies from fresh water sponges. Organic enrichment of the water resulting from the absence of sanitation probably was the key factor, which initiated a cycle of ecological imbalance that provoked human disease.

Siliceous Sponge Spicules of the Quadrant Formation from Montana.

A sponge spicule is a siliceous or calcareous individual or group of rays which form a framework for the sponge. Sponge spicules are very delicate and easily broken. The methods used in obtaining micro-fossils vary considerably with the type of material from which they are to be recovered and the frailness of the fossil obtained.

Distribution of quaternary siliceous sponge spicules in sediments of ODP Leg 180 sites

Siliceous sponge spicules were found in Quaternary sediments recovered during drilling of Leg 180. The assemblage consists mainly of monaxon forms. Relative abundances of the various types are tabulated.