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Nährstoffspeicher in Mikroalgen Algen legen kristallines „Fettpolster“ an

Autor / Redakteur: Erhard Zeiss* / Christian Lüttmann

Wie überleben Mikroalgen schwankende Nährstoffgehalte im Wasser? Sie legen Reserven an. Diese bestehen nicht aus Fett, sondern aus einem kristallinen Stickstofflieferanten. Das zeigen Experimente eines internationalen Forscherteams unter Beteiligung des Forschungszentrums Jülich.

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Lasermikroskopische Aufnahme von kristallinem Guanin (blau) in einer Alge der Gattung Symbiodinium. Guanin dient der Alge als Stickstoff-Speicher
Lasermikroskopische Aufnahme von kristallinem Guanin (blau) in einer Alge der Gattung Symbiodinium. Guanin dient der Alge als Stickstoff-Speicher
(Bild: Anya Salih, University of Western Sydney)

Jülich – Stickstoff ist für Algen ein bisschen so wie Zucker für Menschen: Es geht nicht ohne diesen Nährstoff, aber zu viel davon ist schlecht. Nur haben Algen nicht wie wir Menschen die Wahl, sich im Supermarkt genau das zusammenzusuchen, was sie gerade an Nährstoffen brauchen. Sie sind auf das angewiesen, was der Ozean um sie herum hergibt. Der wichtige Stickstoff steht dort aber nur zeitweise zur Verfügung.

Wie die Mikroalgen diese Versorgungsengpässe besser verkraften, haben nun Forscher aus Jülich, Prag, Moskau und Sydney herausgefunden. Sie haben kristalline Einschlüsse in den Algen untersucht und festgestellt, dass diese zum größten Teil aus Guanin bestehen (s. Ergänzendes zum Thema am Ende des Beitrags).

Stabiler Nährstoffspeicher

Mithilfe von isotopisch markierten Nährstoffen zeigten die Forscher, dass Mikroalgen in der Lage sind, kristallines Guanin aus verschiedenen Stickstoffquellen wie Nitrat, Ammonium oder Harnstoff zu synthetisieren, oder aus ihrer Umgebung zugeführtes Guanin aufzunehmen. Wenn die Zufuhr von außen ausfiel, nutzten die Mikroalgen diesen kristallinen Nährstoffspeicher dann zum Wachsen.

„Mikroalgen brauchen Phosphor und Stickstoff, um zu wachsen. Ein Überschuss an Nährstoffen kann aber schädlich sein, vor allem wenn das Verhältnis von Stickstoff zu Phosphor verändert ist“, erklärt Dr. Ladislav Nedbal vom Jülicher Institut für Pflanzenwissenschaften, der das Forschungsprojekt koordinierte. „Guanin ist bei physiologischem pH-Wert unlöslich und in seiner kristallinen Form weniger metabolisch aktiv als andere stickstoffreiche Verbindungen. Seine Anreicherung in großen Mengen und die Speicherung in den Zellen verursacht daher keine Stoffwechselstörungen.“

Korallen und Algen: gemeinsam durch dick und dünn

Diese Entdeckung liefert auch einen Hinweis darauf, wie empfindliche Organismen wie Riffkorallen schwankende Nährstoffbedingungen überleben – das Molekül Guanin fungiert als „Sicherheitsspeicher“. Dabei produzieren die Korallen die Notreserven nicht selbst, sondern beziehen sie von angesiedelten Mikroalgen, die mit den Korallen in Symbiose leben.

In weiteren Experimenten haben die Forscher gezeigt, dass die Mikroalgen auf Korallen sogar in der Lage sind, kristallines Guanin aufzunehmen und zu speichern. Guanin-Kristalle sind im Ozean aus zerfallendem organischem Material verfügbar. Das kristalline Guanin erweist sich somit als ein evolutionär uraltes, multifunktionales Werkzeug der Natur, was Algen und Korallen das Überleben in nährstoffarmen Phasen sichert.

Ergänzendes zum Thema
Guanin

Guanin ist eine der fünf primären Nukleinbasen, aus denen der genetische Code aller Lebewesen auf der Erde besteht. Als Teil komplexerer Moleküle liefert Guanin auch freie chemische Energie in allen Lebensformen. Kristallines Guanin dient als optisches Element, um Licht zu lenken oder zu fokussieren, wodurch Fischschuppen silbrig erscheinen oder die Sehkraft in den Augen von Tiefseefischen verbessert wird.

Der Name Guanin steht auch für die Verbindung zur Landwirtschaft: Er wurde von dem deutschen Chemiker J. B. Unger geprägt, der die Verbindung erstmals aus Guano isolierte. Dabei handelt es sich um Vogelkot, was zu Ungers Zeit ein wichtiger industrieller Dünger war.

Originalpublikation: Peter Mojzeš, Lu Gao, Tatiana Ismagulova, Jana Pilátová, Šárka Moudříková, Olga Gorelova, Alexei Solovchenko, Ladislav Nedbal, and Anya Salih: Guanine, a high-capacity and rapid-turnover nitrogen reserve in microalgal cells, PNAS December 22, 2020 117 (51) 32722-32730; DOI: 10.1073/pnas.2005460117

* E. Zeiss, Forschungszentrum Jülich, 52428 Jülich

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