Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Amöbe hilft Evolutionsrätsel um Photosynthese lösen

28.03.2008
Genomsequenz von Paulinella chromotophora liefert grundlegende Hinweise zum genetischen Verständnis von Endosymbiose-Beziehungen. Wissenschaftler des Fritz-Lipmann-Instituts in Jena und der Uni Köln kommen so der evolutionären Entwicklung des pflanzlichen Photosynthese-Apparates auf die Spur: das Chromatophor als entwicklungsgeschichtlicher Zwischenschritt zum Chloroplasten.

Die Photosynthese ist einer der wichtigsten biochemischen Prozesse, der im Laufe der Evolution auf unserem Planeten hervorgebracht wurde. Dabei wird Sonnenlicht in chemische Energie umgewandelt.

Verantwortlich hierfür sind in höher entwickelten Pflanzenzellen die mit Farbpigmenten ausgestatteten Chloroplasten. Diese Zellorganellen sind einst aus unabhängigen Photosynthese treibenden prokaryontischen Organismen (Cyanobakterien) hervorgegangen, die von eukaryontischen Zellen `verschluckt´ und integriert wurden. Endosymbiose nennt sich dieser zelluläre Einverleibungsprozess, bei dem Wirtszelle und integrierter Organismus in wechselseitige Abhängigkeit geraten. Wie dieser Prozess entwicklungsgeschichtlich verlaufen ist, ist im Detail noch ungeklärt.

"Wenn wir verstehen, wie die genetische Integration zwischen Wirtszelle und dem einst einverleibtem Organismus verläuft, sind wir einen großen Schritt weiter", so Dr. Gernot Glöckner vom Leibniz-Institut für Altersforschung - Fritz-Lipmann-Institut in Jena. Bekannt ist bislang, dass dabei nicht-benötigte Gene der Zellorganelle verloren gehen und andere an die Wirtszelle weitergegeben werden. Aufschlussreiche neue Erkenntnisse liefert nun die so genannte Thecamöbe Paulinella chromatophora, eine genetisch äußerst komplexe Schalenamöbe. "Was dieses anpassungsfähige Wechseltierchen für uns so interessant macht, ist seine Fähigkeit, Photosynthese zu betreiben", betont Glöckner. Dieses einzellige, von Lauterborn bereits 1885 beschriebene Lebewesen nutzt hierfür bestimmte farbpigmenthaltige, wurstförmige Zellstrukturen, die Chromatophoren. Wie die Photosynthese-treibenden Zellen, von denen die Pflanzen abstammen, ist Paulinella das Produkt einer endosymbiotischen Beziehung zwischen einer eukaryontischen Wirtzelle und einer vormalig unabhängigenen Prokaryonten-Zelle (ebenfalls ein Cyanobakterium). Zellorganelle und Wirt sind mit der Zeit allerdings in wechselseitige Abhängigkeit geraten und können nun unabhängig voneinander nicht mehr existieren.

"Um den entwicklungsgeschichtlichen Parallelen zwischen beiden Photo-Energie-Systemen auf den Grund zu gehen, haben wir die Genomsequenz der Chromatophoren von Paulinella analysiert und mit dem Genom von Chloroplasten sowie frei lebenden Cyanobakterien verglichen", erklärt Dr. Glöckner den Grundansatz des aktuell in Current Biology veröffentlichten Forschungsprojektes. "Wir unterhalten hierfür eine äußerst fruchtbare Forschungskooperation mit Prof. Dr. Michael Melkonian und Eva Nowack vom botanischen Institut der Uni Köln", so der Jenaer Wissenschaftler. So wurden die Amöben in Köln kultiviert. Dann wurde das genetische Material der Chromatophoren isoliert und in Jena mit einem Hochdurchsatz-Sequenzer der neuesten Generation (454 FLX) durchsequenziert. Analysiert wurden die Ergebnisse gemeinsam.

Der Befund: "Das Genom der untersuchten Chromatophoren hat eine Kodierungskapazität von 1 Mb (Megabase) und übersteigt die des Chloroplastengenoms um das 5fache", so der Mitarbeiter aus der Forschergruppe um Dr. Matthias Platzer. Im Vergleich mit seinen freilebenden Verwandten, einem cyanobakteriellem Vorfahr, ist das Genom allerdings stark reduziert. "Das heißt, über 2 Drittel der Gene gingen verloren", erläutert Glöckner.

Behalten haben die Chromatophoren aber die Fähigkeit, autonom Photosynthese zu betreiben. Nicht so die Chloroplasten: bei ihnen ist ein Teil der Photosynthese-Gene in den Kern der Wirtszelle verlegt wurde. Codiert sind im Chromatophoren-Genom auch Synthesewege für Aminosäuren und Vitamine. "Wir gehen davon aus, dass diese Stoffe neben der Photosyntheseleistung von der Wirtszelle zum Überleben benötigt werden", sagt der Genomforscher. Glöckner weiter: "Der Wirt ist also in mehrfacher Weise von diesem Photosynthese-Organell abhängig". Umgekehrt fehlt den Chromatophoren die genetische Information zur Steuerung des Zitratzyklus, eines zentralen Teils des Zuckerstoffwechsels, sowie weiterer elementarer Stoffwechselwege.

Die Wissenschaftler vermuten, dass die Chromatophoren eine entwicklungsgeschichtliche Zwischenstufe darstellen hin zu den Chloroplasten, wie sie in den heutigen höheren Pflanzen vorkommen: "Wir verstehen die Entwicklung solcher Zellorganellen als zweistufigen Prozess. Im ersten Schritt geraten Wirt und Endosymbiont durch den Austausch von Stoffen mehr und mehr in Abhängigkeit (Chromatophoren). Im Zuge des zweiten Schrittes verlagern sich Gene des einverleibten Organismus in den Zellkern der Wirtszelle, der damit die totale regulatorische Hoheit über das Organell übernimmt (Chloroplasten)."

"Die Sequenzierung des Organellgenoms von Paulinella Chromotophora hat uns gezeigt, welche Funktionen im Zellstoffwechsel im Verlauf der genetischen Integration aufgegeben bzw. beibehalten wurden", so Glöckner. Um ein umfassendes Bild der genetischen Integrationsprozesse bei der Endosymbiose zu erhalten, müsste aber auch das Genom der Wirtszelle durchsequenziert werden. "Theoretisch ist das kein Problem", meint der Amöbenforscher. Praktisch aber erweise sich ein solches Projekt als äußerst aufwändig und kostspielig. "Denn in puncto genetischer Ausstattung steht die Amöbe uns Menschen - leider - in nichts nach", bedauert Dr. Gernot Glöckner. "Wir bräuchten dafür vom Ausmaß her ein zweites humanes Genomprojekt - aber dieses Mal für Amöben!".

Kontakt:
PD Dr. Gernot Glöckner, Fritz-Lipmann-Institut Jena; E-mail: gernot@fli-leibniz.de;
Tel.: 0 36 41 / 65 64 40, fax: 0 36 41 / 65 62 54;
Prof. Dr. Michael Melkonian, Uni Köln; E-mail: michael.melkonian@uni-koeln.de;
Tel.: 02 21 / 470 24 75, fax: 02 21 / 470 51 81;
Publikation:
Nowack ECM, Melkonian M, Glöckner G: Chromatophore Genome Sequence of Paulinella Sheds Light on Acquisition of Photosynthesis by Eukaryotes. Current Biology 2008, 18(6):410-419

Dr. Eberhard Fritz | idw
Weitere Informationen:
http://www.fli-leibniz.de

Weitere Berichte zu: Amöbe Chloroplasten Chromatophor Genom Organismus Photosynthese Wirtszelle

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Sich vermehren oder sich nicht vermehren
22.03.2019 | Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

nachricht Ketten aus Stickstoff direkt erzeugt
22.03.2019 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

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: Die Zähmung der Lichtschraube

Wissenschaftler vom DESY und MPSD erzeugen in Festkörpern hohe-Harmonische Lichtpulse mit geregeltem Polarisationszustand, indem sie sich die Kristallsymmetrie und attosekundenschnelle Elektronendynamik zunutze machen. Die neu etablierte Technik könnte faszinierende Anwendungen in der ultraschnellen Petahertz-Elektronik und in spektroskopischen Untersuchungen neuartiger Quantenmaterialien finden.

Der nichtlineare Prozess der Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) in Gasen ist einer der Grundsteine der Attosekundenwissenschaft (eine Attosekunde ist ein...

Im Focus: The taming of the light screw

DESY and MPSD scientists create high-order harmonics from solids with controlled polarization states, taking advantage of both crystal symmetry and attosecond electronic dynamics. The newly demonstrated technique might find intriguing applications in petahertz electronics and for spectroscopic studies of novel quantum materials.

The nonlinear process of high-order harmonic generation (HHG) in gases is one of the cornerstones of attosecond science (an attosecond is a billionth of a...

Im Focus: Magnetische Mikroboote

Nano- und Mikrotechnologie sind nicht nur für medizinische Anwendungen wie in der Wirkstofffreisetzung vielversprechende Kandidaten, sondern auch für die Entwicklung kleiner Roboter oder flexibler integrierter Sensoren. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) haben mit einer neu entwickelten Methode magnetische Mikropartikel hergestellt, die den Weg für den Bau von Mikromotoren oder die Zielführung von Medikamenten im menschlichen Körper, wie z.B. zu einem Tumor, ebnen könnten. Die Herstellung solcher Strukturen sowie deren Bewegung kann einfach durch Magnetfelder gesteuert werden und findet daher Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen.

Die magnetischen Eigenschaften eines Materials bestimmen, wie dieses Material auf das Vorhandensein eines Magnetfeldes reagiert. Eisenoxid ist der...

Im Focus: Magnetic micro-boats

Nano- and microtechnology are promising candidates not only for medical applications such as drug delivery but also for the creation of little robots or flexible integrated sensors. Scientists from the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) have created magnetic microparticles, with a newly developed method, that could pave the way for building micro-motors or guiding drugs in the human body to a target, like a tumor. The preparation of such structures as well as their remote-control can be regulated using magnetic fields and therefore can find application in an array of domains.

The magnetic properties of a material control how this material responds to the presence of a magnetic field. Iron oxide is the main component of rust but also...

Im Focus: Goldkugel im goldenen Käfig

„Goldenes Fulleren“: Liganden-geschützter Nanocluster aus 32 Goldatomen

Forschern ist es gelungen, eine winzige Struktur aus 32 Goldatomen zu synthetisieren. Dieser Nanocluster hat einen Kern aus 12 Goldatomen, der von einer Schale...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Größte nationale Tagung 2019 für Nuklearmedizin in Bremen

21.03.2019 | Veranstaltungen

6. Magdeburger Brand- und Explosionsschutztage vom 25. bis 26.3. 2019

21.03.2019 | Veranstaltungen

Teilchenphysik trifft Didaktik und künstliche Intelligenz in Aachen

20.03.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Die Zähmung der Lichtschraube

22.03.2019 | Physik Astronomie

Saarbrücker Forscher erleichtern durch Open Source-Software den Durchblick bei Massen-Sensordaten

22.03.2019 | HANNOVER MESSE

Ketten aus Stickstoff direkt erzeugt

22.03.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics