Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Evolutionsbiologie: Wie die Zellen zu ihren Kraftwerken kamen

22.06.2017

Komplexe Zellen, so genannte Eukaryoten, besitzen neben dem Zellkern weitere abgeschlossene Zellbestandteile. Dazu gehören Mitochondrien, die Zellkraftwerke, welche früher eigenständige Bakterien waren. Wie es dazu kam, dass eine Zelle eine andere in sich aufnahm, hinterfragten Wissenschaftler vom Institut für Molekulare Evolution der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) zusammen mit Kollegen aus den Niederlanden und der Slowakei. Ihre Ergebnisse publizierten sie kürzlich in der Fachzeitschrift Microbiology and Molecular Biology Reviews.

Zu Beginn des Lebens existierten nur einfache Arten von Zellen, so genannten Prokaryoten, die keine größeren inneren Zellstrukturen besitzen. Zu dieser Art von Zellen gehören die Bakterien und die Archaeen.


Der Ursprung der komplexen, eukaryotischen Zelle geht auf die Integration eines Bakteriums in ein Archaeon zurück. Daraus entstanden die heutigen Mitochondrien, die Kraftwerke der Zellen. Es gibt zwei grundsätzliche Modelle, wie diese Integration geschehen sein kann: (A) der Wirt, das Archaeon, entwickelte zuerst einen gewissen Grad an Komplexität, welcher die Aufnahme des anderen Bakteriums durch Phagocytose ermöglichte. (B) Die erste enge Interaktion der beiden Partner basiert auf Stoffaustausch (Syntrophie). Erst die Integration des Bakteriums (blau) in das Archaeon (rot) stellte Energie im Überfluss zur Verfügung, welche die Evolution der Komplexität antrieb. (Abbildungen: Sven Gould)


Prokaryoten, wie gramnegative Bakterien und Archaeen, sind bekannt dafür, Vesikel von ihrer Plasmamembran in die Umwelt abzuschnüren. Pathogene Bakterien tun dies beispielsweise bei der Infektion von Humanzellen. Eukaryotische Zellen können dies auch, sie können aber auch Material aus der Umwelt aufnehmen und Vesikel nach innen, in ihr Zytosol abschnüren. Solche Prozesse finden zum Beispiel in Darmzellen statt, um Nahrung aufzunehmen. Wie Eukaryoten diese Fähigkeit entwickelt haben, steht im Fokus der aktuellen Arbeit.

Vor etwa 2 Milliarden Jahren nahm dann ein Archaeon ein Bakterium in sich auf und integrierte dieses als Zellorganell. Damit begann die Evolution komplexer Zellen, der Eukaryoten, welche innere Kompartimente wie einen Zellkern und das Mitochondrium besitzen und aus welchen alle komplexen Lebewesen, wie auch Tiere und Pflanzen evolvierten.

Unklar ist aber, wie genau diese Integration ablief. Allen bekannten Prokaryoten – Archaeen wie Bakterien – fehlt nämlich eine entscheidende Fähigkeit der Eukaryoten, die sogenannte „Phagocytose“. Damit können Eukaryoten größere Partikel aus ihrer Umwelt in sich aufnehmen.

Wichtigstes Beispiel hierfür sind die „Makrophagen“, die Fresszellen unseres Immunsystems: Sie nehmen über die Phagocytose schädliche Bakterien in sich auf, „verdauen“ und zerstören sie dadurch.

Die HHU-Forscher Prof. Dr. William Martin und PD Dr. Sven Gould gehen mit ihrem Team am Institut der Molekulare Evolution sowie Kollegen aus Utrecht, Rotterdam und Bratislava in ihrer aktuelle Arbeit der Frage aus historischem, physiologischem und zellbiologischem Blickwinkel kritisch nach.

Sie kommen in ihrer in Microbiology and Molecular Biology Reviews veröffentlichten Arbeit zu dem Schluss, dass die aktuelle Datenlage und die Art und Weise, wie Prokaryoten grundsätzlich leben, eine Rolle der Phagocytose beim Ursprung der Eukaryoten nicht unterstützt und eine solche Rolle auch nicht nötig war: Alternativen zur Phagocytose für das Eindringen des einen in den anderen Prokaryoten sind bereits beschrieben.

Darüber hinaus postulieren die Wissenschaftler, dass jegliches prokaryotische Leben, welches man auch in Zukunft noch finden wird, nicht die Komplexität einer eukaryotischen Zelle – etwa auch die Fähigkeit zur Phagocytose – besitzen wird. Dr. Gould zur Bedeutung der Ergebnisse: „Unsere Arbeit ist ein breit aufgestelltes Referenzwerk, an welchem sich zukünftige Forschungen zum Ursprung der Eukaryoten und zur Komplexizität prokaryotischer Biologie orientieren können.“

Originalpublikation

Martin WF, Tielens AGM, Mentel M, Garg SG, Gould SB. 2017, The physiology of phagocytosis in the context of mitochondrial origin, Microbiol Mol Biol Rev 81:e00008-17

Weitere Informationen:

http://mmbr.asm.org/content/81/3/e00008-17

Dr.rer.nat. Arne Claussen | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.hhu.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Komplexe biologische Systeme können nicht ohne Chaos existieren
17.02.2020 | Universität Rostock

nachricht Neue Hauptdarsteller im Meeresboden: Eine bislang kaum beachtete Bakteriengruppe im Rampenlicht
17.02.2020 | Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

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: Lichtpulse bewegen Spins von Atom zu Atom

Forscher des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzpulsspektroskopie (MBI) und des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik haben durch die Kombination von Experiment und Theorie die Frage gelöst, wie Laserpulse die Magnetisierung durch ultraschnellen Elektronentransfer zwischen verschiedenen Atomen manipulieren können.

Wenige nanometerdünne Filme aus magnetischen Materialien sind ideale Testobjekte, um grundlegende Fragestellungen des Magnetismus zu untersuchen. Darüber...

Im Focus: Freiburg researcher investigate the origins of surface texture

Most natural and artificial surfaces are rough: metals and even glasses that appear smooth to the naked eye can look like jagged mountain ranges under the microscope. There is currently no uniform theory about the origin of this roughness despite it being observed on all scales, from the atomic to the tectonic. Scientists suspect that the rough surface is formed by irreversible plastic deformation that occurs in many processes of mechanical machining of components such as milling.

Prof. Dr. Lars Pastewka from the Simulation group at the Department of Microsystems Engineering at the University of Freiburg and his team have simulated such...

Im Focus: Transparente menschliche Organe ermöglichen dreidimensionale Kartierungen auf Zellebene

Erstmals gelang es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, intakte menschliche Organe durchsichtig zu machen. Mittels mikroskopischer Bildgebung konnten sie die zugrunde liegenden komplexen Strukturen der durchsichtigen Organe auf zellulärer Ebene sichtbar machen. Solche strukturellen Kartierungen von Organen bergen das Potenzial, künftig als Vorlage für 3D-Bioprinting-Technologien zum Einsatz zu kommen. Das wäre ein wichtiger Schritt, um in Zukunft künstliche Alternativen als Ersatz für benötigte Spenderorgane erzeugen zu können. Dies sind die Ergebnisse des Helmholtz Zentrums München, der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und der Technischen Universität München (TUM).

In der biomedizinischen Forschung gilt „seeing is believing“. Die Entschlüsselung der strukturellen Komplexität menschlicher Organe war schon immer eine große...

Im Focus: Skyrmions like it hot: Spin structures are controllable even at high temperatures

Investigation of the temperature dependence of the skyrmion Hall effect reveals further insights into possible new data storage devices

The joint research project of Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) and the Massachusetts Institute of Technology (MIT) that had previously demonstrated...

Im Focus: Skyrmionen mögen es heiß – Spinstrukturen auch bei hohen Temperaturen steuerbar

Neue Spinstrukturen für zukünftige Magnetspeicher: Die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit des Skyrmion-Hall-Effekts liefert weitere Einblicke in mögliche neue Datenspeichergeräte

Ein gemeinsames Forschungsprojekt der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat einen weiteren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Chemnitzer Linux-Tage am 14. und 15. März 2020: „Mach es einfach!“

12.02.2020 | Veranstaltungen

4. Fachtagung Fahrzeugklimatisierung am 13.-14. Mai 2020 in Stuttgart

10.02.2020 | Veranstaltungen

Alternative Antriebskonzepte, technische Innovationen und Brandschutz im Schienenfahrzeugbau

07.02.2020 | Veranstaltungen

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

Erste Untersuchungsergebnisse zum "Sensations-Meteoritenfall" von Flensburg

17.02.2020 | Geowissenschaften

Lichtpulse bewegen Spins von Atom zu Atom

17.02.2020 | Physik Astronomie

Freiburger Forscher untersucht Ursprünge der Beschaffenheit von Oberflächen

17.02.2020 | Materialwissenschaften

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