Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie komplexe Zellen entstanden sind

19.12.2016

Mitochondrien sind die «Kraftwerke» komplexer Zellen und versorgen diese mit Energie. Dazu brauchen sie Protein-Bausteine, die von aussen importiert werden. Die dafür notwendigen «Protein-Import-Maschinen» haben sich über die Jahrmilliarden anders entwickelt als bisher angenommen, wie Berner Biochemiker herausgefunden haben. Dies wirft auch ein neues Licht auf die Evolution komplexer Zellen.

Mitochondrien, die «Kraftwerke» der Zellen, sind vom Rest der Zelle durch zwei Membranschichten abgetrennt. Um Energie produzieren zu können, benötigen die Mitochondrien Protein-Baustoffe, die durch die beiden Membranschichten importiert werden müssen. Dafür sind zwei «Import-Nanomaschinen» verantwortlich, die sich in der äusseren und der inneren Membranschicht befinden.


3D-Repräsentation des einzelligen Parasiten Trypanosoma brucei. Hervorgehoben sind das der Fortbewegung dienende Flagellum (violett), die DNA (blau) und das Mitochondrium, das «Kraftwerk» (türkis).

© J. Tyc/S. Vaughn, Oxford Brookes University.

Nun hat eine Forschergruppe um André Schneider vom Departement für Chemie und Biochemie der Universität Bern in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Bettina Warscheid der Universität Freiburg i.Br. herausgefunden, dass diese Nanomaschinen bei einzelligen Parasiten ganz anders aufgebaut sind als beim Menschen. Die Parasiten – Trypanosomen – haben hier gewissermassen das «Rad neu erfunden», wie Schneider bereits in einer früheren Studie entdeckt hat (vgl. Medienmitteilung vom 26.03.2015).

Diese Erkenntnis gilt nun nicht nur für die «Import-Maschine» in der äusseren Membran der Mitochondrien, sondern auch für diejenige in der inneren Membran, deren ungewöhnliche Zusammensetzung das Forscher-Team nun identifiziert hat. Die Annahme, dass die Import-Nanomaschinen aller Mitochondrien gleich aufgebaut sind, egal ob bei Einzellern oder dem Menschen, stimmt somit nicht. «Unsere Ideen, wie die Mitochondrien entstanden sind, müssen deshalb modifiziert werden», sagt Schneider. Die Studie wurde nun im Journal «Nature Communications» publiziert.

Wie der Benzin- und Elektromotor

Das Mitochondrium war ursprünglich eine einfach aufgebaute Bakterienzelle, die vor etwa zwei Milliarden Jahren von einer grösseren Zelle aufgenommen und dann in ein Zellkompartiment umgewandelt wurde. «Neben der Entstehung des Lebens selbst war dieser Umwandlungsprozess das wohl wichtigste Ereignis in der Evolution überhaupt», sagt Schneider. Er bildete nämlich die Grundlage für die Entwicklung von komplexen Zellen, aus denen sämtliche Pflanzen und Tiere sowie viele Mikroorganismen bestehen. «Auch Menschen bestehen aus komplexen Zellen. Es geht also hier letztlich auch darum zu ergründen, wie wir uns selber entwickelt haben», erklärt Schneider.

Eine ganz zentrale Voraussetzung für die Entstehung der Mitochondrien und somit für die Evolution von komplexen Zellen war die Entwicklung einer effizienten Protein-Importmaschinerie. Bisherige Annahmen gingen davon aus, dass diese einmal entwickelt und danach nur noch leicht den Lebensbedingungen der jeweiligen Organismen angepasst wurde. Die neuen Daten zeigen jedoch, dass dem nicht so ist. Zwar sind diese Import-Nanomaschinen sowohl bei Trypanosomen als auch beim Menschen aus etwa 15 verschiedenen Proteinen aufgebaut, aber diese Bestandteile weisen bis auf drei Proteine keinerlei Ähnlichkeit miteinander auf.

Diese Tatsache zeigt, dass das System bis auf drei Grundkomponenten in den Trypanosomen neu erfunden wurde. «Die Situation ist damit in etwa vergleichbar mit dem Benzin- und dem Elektromotor, welche beide im Prinzip dieselbe Funktion haben, aber unabhängig voneinander erfunden wurden und deshalb auch völlig anders aufgebaut sind», sagt Schneider.

Diese Entdeckung zeigt nun, dass die erste komplexe Zelle vermutlich nur ein einfaches Import-System besass, dessen Evolution zu hochentwickelten Import-Nanomaschinen ein langwieriger Prozess war. Die heutigen effizienten, aus vielen verschiedenen Modulen bestehenden Importsysteme haben sich also später als ursprünglich angenommen entwickelt, nachdem eine erste «Artenbildung» von komplexen Zellen schon stattgefunden hatte.

Nützlich im Kampf gegen die Schlafkrankheit

Trypanosomen sind nicht nur ein wichtiges Modellsystem für die Grundlagenforschung, sondern als Erreger der unbehandelt tödlich verlaufenden Schlafkrankheit auch von klinischer Bedeutung. «Das neuentdeckte Proteinimportsystem ist für das Überleben der Trypanosomen absolut notwendig. Da es ganz anders aufgebaut ist als das System in menschlichen Mitochondrien, könnte es sich als Zielstruktur für eine Chemotherapie gegen die Schlafkrankheit eignen» sagt Schneider. Es sollte also möglich sein, Substanzen zu finden, die das überlebenswichtige Transportsystem der Trypanosomen hemmen, ohne das der menschlichen Mitochondrien zu beeinflussen.

Angaben zur Publikation:
A. Harsman, S. Oeljeklaus, C. Wenger, J. L. Huot, B. Warscheid and A. Schneider. The non-canonical mitochondrial inner membrane presequence translocase of trypanosomatids contains two essential rhomboid-like proteins, Nature Communication, 19. Dezember 2016, in press.

Weitere Informationen:

http://www.unibe.ch/aktuell/medien/media_relations/medienmitteilungen/2016/wie_k...

Nathalie Matter | Universität Bern

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Aus-Schalter für Nebenwirkungen
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Biochemie

nachricht Ein Fall von „Kiss and Tell“: Chromosomales Kissing wird fassbarer
22.06.2018 | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

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: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

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

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

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