Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Stabschrecken können schwerverdauliches Pflanzenmaterial verspeisen

10.03.2016

Pflanzliche Zellwände bestehen aus vielen komplexen Polymeren, für deren vollständigen Abbau eine Vielzahl verschiedener Enzyme erforderlich ist. Dazu zählen Cellulase für den Abbau von Cellulose und Xylanase für den Abbau von Xylan. Jahrzehntelang gingen Wissenschaftler davon aus, dass nur Mikroorganismen Cellulase-Enzyme produzieren können, bis Cellulase-Gene in holzverspeisenden Insekten gefunden wurden. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena haben nun eine weitere Theorie außer Kraft gesetzt: Die Forscher entdeckten, dass Stabschrecken (Phasmatodea) Cellulasen produzieren, die unterschiedliche Zellwandpolymere gleichermaßen abbauen können.

Neben Cellulose sind Xylan und Xyloglucan wichtige Bestandteile pflanzlicher Zellwände. Insekten der Ordnung Gespenstschrecken (Phasmatodea) haben vielfache Kopien von Cellulase-Genen in ihrer Erbsubstanz.


Eine junge Australische Gespenstschrecke (Extatosoma tiaratum) hängt an der Blattunterseite einer Zimmerpflanze im Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena.

Matan Shelomi / Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Es gibt jedoch unter diesen Enzymen auch einige, die das Xylose-Gerüst von Xylan aufbrechen können, andere wiederum können das Xylose-Glucose-Gerüst von Xyloglucan spalten. Es handelt sich hier um das erste beschriebene Xyloglucanase-Enzym, das in vielzelligen Tieren nachgewiesen wurde. Bislang ging man davon aus, dass es in Tieren keine derartigen Enzyme gibt.

Ein Enzym, viele Substrate

Wissenschaftler der Abteilung Entomologie haben die Cellulase-Gene von sieben Gespenstschreckenarten isoliert, darunter die Australische Gespenstschrecke (Extatosoma tiaratum), die Vietnam-Stabschrecke (Ramulus artemis) und die Kleine Dornschrecke aus Borneo (Aretaon asperrimus).

In allen waren viele verschiedene Cellulase-Enzyme aus der Familie der Glycosid-Hydrolasen 9 (GH9) aktiv. Da das Beibehalten überzähliger Enzyme, die alle die gleiche Funktion haben, aus evolutionsbiologischer Sicht nicht sinnvoll ist, war vermuteten die Forscher, dass einige ihre Funktion verloren haben mussten oder im Laufe der Evolution eine neue Aufgabe übernommen hatten.

Um die Fähigkeiten der Enzyme zu testen, fügten die Wissenschaftler die Gene in kultivierten Insektenzellen ein und produzierten so die entsprechenden Enzyme. Anschließend überprüften sie die isolierten Proteine auf ihre Aktivität gegenüber verschiedenen pflanzlichen Zellwandpolymeren. Die Ergebnisse bestätigten, dass eine Gruppe von Enzymen gegenüber Cellulose und Xylan aktiv sind, eine andere Gruppe dagegen gegenüber Cellulose und Xyloglucan.

Einzelne Enzyme aus jeder Gruppe konnten darüber hinaus Glucomannan abbauen. Diese Fähigkeiten zum Zellwandabbau sind in allen Familien von Stabschrecken zu finden: in der vietnamesischen Annam-Stabschrecke (Medauroidea extradentata, Familie Phasmatidae) ebenso wie in der Rosa Geflügelten Stabschrecke aus Madagaskar (Sipyloidea sipylus, Diapheromeridae) oder der peruanischen Samtschrecke (Peruphasma schultei, Peruphasmatidae).

Den Forschern lagen sogar Proben der flügellosen kalifornischen Stabheuschrecke Timema cristinae (Timematidae) vor, die im Gegensatz zu allen anderen Gespenstschrecken in der Untersuchung einer anderen Familie innerhalb der Ordnung Phasmatodea angehört Auch sie besitzt die gleichen Enzyme und die gleichen neuen Fähigkeiten.

Eine solche Multifunktionalität von Glycosid-Hydrolasen 9 war bislang nicht bekannt. Xyloglucanase-Enzyme waren noch niemals zuvor in Tieren entdeckt worden. „Hätten wir diese Enzyme ausschließlich auf ihre Aktivität im Hinblick auf Cellulose getestet, wären die anderen Funktionen unentdeckt geblieben“, sagt Matan Shelomi, der ein Postdoktorandenstipendium am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie hat und Erstautor der Studie ist. „Es war gut, dass wir unsere Untersuchungen auf die Aktivitäten gegenüber anderen pflanzlichen Bestandteilen ausgeweitet haben. So waren wir die ersten, die derart leistungsfähige Enzyme in Tieren nachweisen werden konnten.“

Eine unerwartete Wendung in einer alten Genfamilie

Das wichtigste Ergebnis der Studie ist, dass die Enzymfunktionen mit den evolutionären Beziehungen zwischen den Insekten übereinstimmen. Xylanase-Cellulasen aus verschiedenen Arten sind nahe miteinander verwandt. Die Xyloglucanase-Cellulasen bilden ebenfalls eine monophyletische Gruppe und gehören damit dem gleichen Stamm an. Weil auch in der kalifornischen T. cristinae die gleichen Enzymaktivitäten zu beobachten waren, muss das Cellulase-Gen in einem gemeinsamen Ur-Insekt dupliziert worden sein. Einige der verschiedenen Genkopien haben dann offenbar neue Fähigkeiten entwickelt. Dies geschah vor der Entstehung der Ordnung Gespenstschrecken (Phasmatodea). Die Wissenschaftler wollen daher nun andere, mit Gespenstschrecken verwandte Arten untersuchen, um zu sehen, ob auch diese multifunktionale Cellulase-Enzyme besitzen.

Die Fähigkeit, verschiedene Polymere mit dem gleichen Enzym abzubauen, bedeutet, dass Gespenstschrecken eine ungewöhnlich effektive Verdauung haben. Zusammen mit anderen Darmenzymen, wie Cellobiasen und Xylobiasen, kann die Darmflora dieser Insekten nahezu die komplette pflanzliche Zellwand in ihre Zuckerbestandteile zerlegen. Diese können dabei für die Ernährung verwendet werden. Außerdem wird durch den Abbau der Zellwände auch das leichter verdauliche Cytoplasma innerhalb der Zelle erschlossen. Daher können sich Gespenstschrecken von der gleichen Blattnahrung besser ernähren als andere Pflanzenfresser Theoretisch könnten sie sogar Holz verdauen.

„In Deutschland gibt es eine große Fangemeinde von Gespenstschrecken, die sich diese skurrilen Insekten als Haustiere halten“, sagt Shelomi. „Immer wieder wird mir berichtet, dass sie alles Mögliche anknabbern, wie zum Beispiel Zweige, Moos, Rinde, und sogar Styropor oder Elektrokabel. Blätter bleiben jedoch ihre Hauptnahrung. Vielleicht kann ihr Darm Holz verdauen, ihre Kiefer sind jedoch für Blattnahrung besser geeignet, und diese schmeckt wahrscheinlich auch besser.“ [MS/AO]

Originalveröffentlichung:
Shelomi, M., Heckel, D. G., and Pauchet, Y. (2016). Ancestral Gene Duplication Enabled the Evolution of Multifunctional Cellulases in Stick Insects (Phasmatodea). Insect Biochemistry and Molecular Biology 71: 1-11. Doi: 10.1016/j.ibmb.2016.02.003
http://dx.doi.org/10.1016/j.ibmb.2016.02.003

Weitere Informationen:
Dr. Matan Shelomi, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07743 Jena, Tel. +49 3641 57-1560, E-Mail mshelomi@ice.mpg.de

Kontakt und Bildanfragen:
Angela Overmeyer M.A., Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07743 Jena, +49 3641 57-2110, E-Mail overmeyer@ice.mpg.de

Download von hochaufgelösten Fotos und Videos über http://www.ice.mpg.de/ext/downloads2016.html

Weitere Informationen:

http://www.ice.mpg.de/ext/1260.html?&L=1 (Stabschrecken können schwerverdauliches Pflanzenmaterial verspeisen)
http://www.ice.mpg.de/ext/655.html (Projektgruppe "Molecular Biology of the Insect Digestive System")
http://www.ice.mpg.de/ext/entomology.html?&L=1 (Abteilung Entomologie)

Angela Overmeyer | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Entzündung weckt Schläfer
29.03.2017 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

nachricht Rostocker Forscher wollen Glyphosat „entzaubern“
29.03.2017 | Universität Rostock

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: Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

Wie kann man Quanteninformation zuverlässig übertragen, wenn man in der Verbindungsleitung mit störendem Rauschen zu kämpfen hat? Uni Innsbruck und TU Wien präsentieren neue Lösungen.

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird...

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Organisch-anorganische Heterostrukturen mit programmierbaren elektronischen Eigenschaften

29.03.2017 | Energie und Elektrotechnik

Klein bestimmt über groß?

29.03.2017 | Physik Astronomie

OLED-Produktionsanlage aus einer Hand

29.03.2017 | Messenachrichten