Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Grünalgen im Dunkeln überleben

29.10.2013
Aktivität von fast 1.500 Genen ändert sich bei Sauerstoffmangel
The Plant Cell: Einblicke in genetische Anpassungsreaktionen

Wenn die Sonne scheint, kurbeln Mikroalgen wie Chlamydomonas reinhardtii ihren Stoffwechsel – wie alle höheren Pflanzen – durch Fotosynthese an. Dabei wandeln sie Sonnenlicht in Sauerstoff (O₂), chemische Energie und Zellbestandteile um.


Grünalgen im Licht (links) und in luftdicht verschlossenen Flaschen im Dunkeln (rechts).
© RUB, Foto: AG Photobiotechnologie


Nicht alle C. reinhardtii-Stämme können unter Sauerstoffmangel wachsen.
© RUB, Grafik: AG Photobiotechnologie

Ist es dunkel, stellen die Einzeller ihren Stoffwechsel auf Zellatmung um, die bei uns Menschen die einzige Möglichkeit ist, effizient lebenswichtige Energie herzustellen. Diese Zellatmung aber benötigt Sauerstoff, der im Erdboden, wo die Alge mitunter lebt, Mangelware ist. Chlamydomonas geht die Luft aus.

Gemeinsam mit Kollegen der UC Los Angeles und der Michigan State University berichten RUB-Forscher in der Zeitschrift „The Plant Cell“ in einem Large Scale Biology-Artikel, wie sich das genetische Programm der Grünalge unter dieser Stressreaktion verändert.

Gesamtumstellung des Zellstoffwechsels

In der AG Photobiotechnologie arbeiten Dr. Anja Hemschemeier und Prof. Dr. Thomas Happe schon lange gemeinsam an der Frage, wie sich Grünalgen an den Sauerstoffmangel anpassen und den Zellstoffwechsel umstellen: „Sauerstoffmangel ist für Algen und Pflanzen ein größeres Problem, als viele denken“, erklärt Hemschemeier. „Die meisten unserer Kulturpflanzen, wie etwa Kartoffeln, bekommen Probleme, wenn der Erdboden überflutet wird. Dann bekommen die unterirdischen Organe nicht genug Sauerstoff.“

Algen zapfen alle Ressourcen an

Mittels Nukleinsäuresequenzierung gelang es den Wissenschaftlern, Schnappschüsse der Grünalgen-Gene unter unterschiedlichen Bedingungen zu machen – einmal mit, einmal ohne Sauerstoff. Aus den Unterschieden konnten sie ableiten, wie die Zellen genetisch reagieren. So veränderte sich die Aktivität von fast 1.500 Genen, wenn die Chlamydomonas-Kulturen von sauerstoffreicher Atmosphäre im Licht in sauerstoffarme Bedingungen im Dunkeln gebracht wurden. Die RUB-Forscher schauten sich jedes einzelne der veränderten Gene mithilfe wissenschaftlicher Datenbanken an, um deren Funktion ableiten zu können. Anschließend erstellten sie Gruppen von Genen, die gemeinsam bestimmten Stoffwechselwegen zugeordnet werden konnten. Daraus leiteten sie einen bestimmten Trend ab: „Anhand der funktionellen Gengruppen kann man ganz deutlich ablesen, dass die Algen auf die Energiekrise strikt ökonomisch reagieren“, fasst Hemschemeier zusammen. „Sie fahren energieaufwendige Prozesse wie die Zellteilung herunter und versuchen gleichzeitig, jede interne Energiequelle anzuzapfen. Sie ähneln in gewisser Weise dem Menschen, der bei Hungerphasen auch auf den Abbau von Kohlenhydraten, Fetten und Eiweißen zurückgreift.“

Fettreserven für bessere Zeiten

Während diese Anpassungen der Grünalge zu erwarten waren, gab es auch Überraschungen: Trotz des Mangels an Energie bauten die Zellen Fettreserven auf. Dies ist eine bekannte Stressreaktion von Mikroalgen. Allerdings unterscheiden sich die Fette der sauerstofflimitierten Grünalge deutlich von bisher untersuchten und enthalten viele wertvolle ungesättigte Fettsäuren. Die RUB-Wissenschaftler nehmen an, dass Chlamydomonas diese Fettsäuren sicher verstaut, um sie bei einem Wechsel zu besseren Bedingungen rasch hervorzaubern und so schneller wieder zum normalen Zellstoffwechsel übergehen zu können.

Vielschichtige Regulationsvorgänge

Wie genau die Algen merken, dass kein Sauerstoff da ist, und wie sie dann diese Information umsetzen in veränderte genetische Aktivitäten und schließlich den Stoffwechsel anpassen, verstehen die Wissenschaftler erst ansatzweise. Bislang kennt man nur wenige Kandidaten, die in sauerstofflimitierten Chlamydomonas-Zellen regulativ wirken. Im März dieses Jahres konnte das RUB-Team beispielsweise in der Zeitschrift „PNAS“ veröffentlichen, dass ein Hämoglobin und Stickstoffmonoxid an den genetischen Anpassungsreaktionen beteiligt sind. In ihren neusten Untersuchungen gab es zudem weitere Hinweise auf Regulationsvorgänge durch Stickstoffmonoxid, aber auch eine Signalwirkung des Fotosyntheseapparates sowie Ähnlichkeiten zu Sauerstoffsensoren beim Menschen stellten sich heraus. „Es sieht so aus, dass die Mikroalge verschiedenste Wege nutzt, um den Stoffwechsel an Sauerstoffmangel und Dunkelheit anzupassen“, fasst Thomas Happe zusammen. Einzelne Aspekte dieser Vorgänge wollen die RUB-Forscher nun im Detail untersuchen. Sie erhoffen sich dadurch neue Erkenntnisse über Reaktionen von Lebewesen an Sauerstoffmangel, der in so unterschiedlichen Bereichen wie Landwirtschaft, Energieerzeugung und Medizin eine wichtige Rolle spielt.

Titelaufnahme

A. Hemschemeier, D. Casero, B. Liu, C. Benning, M. Pellegrini, T. Happe, S.S. Merchant (2013): COPPER RESPONSE REGULATOR1-dependent and -independent responses of the Chlamydomonas reinhardtii transcriptome to dark anoxia, Plant Cell, doi 10.1105/tpc.113.115741

Weitere Informationen

Dr. Anja Hemschemeier, AG Photobiotechnologie, Lehrstuhl Biochemie der Pflanzen, Fakultät für Biologie und Biotechnologie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-24282

anja.hemschemeier@rub.de

Angeklickt

Presseinformation zur Genregulation in sauerstofflimitierten Grünalgen (PNAS-Artikel)

http://aktuell.ruhr-uni-bochum.de/pm2013/pm00181.html.de

AG Photobiotechnologie
http://www.ruhr-uni-bochum.de/pbt/
Redaktion: Dr. Maren Volkmann

Jens Wylkop | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut
20.10.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Aus der Moosfabrik
20.10.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise