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Naturstoff-Forschung Die Farbe Gelb – oder das Sozialverhalten der Amöben

Von Ronja Münch, Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie - Hans-Knöll-Institut (Leibniz-HKI)

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Soziale Amöben sind einzellige Lebewesen, die sich bei Nahrungsmangel zu einem mit bloßem Auge sichtbaren, mehrzelligen Organismus zusammenschließen können. Maßgeblich gesteuert wird dieses Phänomen offenbar durch einen intensiv gelben Naturstoff.

Mikroskopische Aufnahme der Fruchtkörper von D. discoideum auf einer Agarplatte. An der Spitze des multizellulären Organismus, wo sich auch die ruhenden Sporen befinden, ist das gelbe Pigment sichtbar.
Mikroskopische Aufnahme der Fruchtkörper von D. discoideum auf einer Agarplatte. An der Spitze des multizellulären Organismus, wo sich auch die ruhenden Sporen befinden, ist das gelbe Pigment sichtbar.
(Bild: Rosa Herbst/Leibniz-HKI)

Soziale Amöben sind einzellige Lebewesen, die sich bei Nahrungsmangel zu einem mit bloßem Auge sichtbaren, mehrzelligen Organismus zusammenschließen können. In einem komplexen Prozess bilden sie einen Fruchtkörper, der mit Sporen gefüllt ist, welche durch Wind oder durch Tiere weitergetragen werden.

„Diesen Fruchtkörper kann man sich vorstellen wie einen Wasserballon“, erklärt Rosa Herbst aus der Abteilung Paläobiotechnologie am Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie – Hans-Knöll-Institut (Leibniz-HKI), eine der Erstautor*innen der Studie. „Er kann leicht platzen und die Sporen werden freigelassen.“

Gelbes Pigment hält soziale Amöben zusammen

In der aktuellen Studie konnten die Forscher einen Naturstoff – ein Polyketid – identifizieren, der ein zu frühes Schlüpfen der Amöben aus den Sporen im Fruchtkörper verhindert und so maßgeblich den vielzelligen Entwicklungszyklus aufrechterhält. Das Molekül hat eine intensiv gelbe Farbe und wird hauptsächlich in der Umgebung der Sporen im Fruchtkörper gebildet.

Schematische Darstellung des Entwicklungszyklus von D. discoideum.
Schematische Darstellung des Entwicklungszyklus von D. discoideum.
(Bild: Markus Günther/Leibniz-HKI)

„Amöben stellen eine Vielzahl an Naturstoffen her, die zum Beispiel für die Entwicklung neuer Medikamente interessant sein könnten“, erklärt Pierre Stallforth, Leiter der Abteilung Paläobiotechnologie und Professor an der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Er hat zusammen mit Falk Hillmann, Leiter der Forschungsgruppe Evolution mikrobieller Interaktionen am Leibniz-HKI und inzwischen Professor an der Hochschule Wismar, die Studie geleitet. In den meisten Fällen sei jedoch nicht bekannt, was die eigentliche biologische Funktion dieser Substanzen ist. Die Amöbe D. discoideum hat 40 Polyketid-Biosynthesegene, die für Enzyme kodieren, welche die Polyketide herstellen.

„Die Polyketidsynthase 5, die wir untersucht haben, ist erst die dritte, bei der man eine Vorstellung über die Funktion und Struktur des entsprechenden Polyketids hat“, stellt Christin Reimer, ebenfalls Erstautorin, heraus. Und das, obwohl D. discoideum ein intensiv erforschter Modellorganismus ist, der im Boden weit verbreitet ist.

Funktion des Polyketids mit CRISPR-Cas9 auf die Schliche gekommen

Das Team, an dem mehrere Forschungsgruppen des Leibniz-HKI beteiligt waren, kombinierte für die Studie Daten aus Transkriptom- und Metabolomanalysen. Zunächst untersuchten die Forscher also, welche Enzyme während der Bildung des Fruchtkörpers produziert werden und wählten das vielversprechendste für weitere Untersuchungen aus. Das zugehörige Gen schalteten sie mithilfe der Genschere CRISPR-Cas9 aus. Durch den Vergleich mit den Stoffwechselprodukten der unveränderten Amöben konnten sie so das Polyketid Dictyoden, ein gelbes Pigment, identifizieren.

„Wir hatten zunächst keine Ahnung, was dieses Polyketid macht“, so der dritte Erstautor Markus Günther. Das Team stellte allerdings fest, dass bei den Amöben ohne Polyketidsynthase 5 die Fruchtkörper häufig zu früh geschlüpfte Amöben beinhalteten. In weiteren Experimenten, in denen sie Dictyoden wieder hinzufügten, konnten sie dieses frühzeitige Schlüpfen zu 50 Prozent wieder rückgängig machen. „Es spielen also offenbar auch noch andere Substanzen eine Rolle, aber wir gehen davon aus, dass Dictyoden besonders wichtig ist, um frühzeitiges Schlüpfen zu unterdrücken.“

„Wir haben mit dieser Studie einen zuverlässigen Ansatz entwickelt, um Polyketide in ihrem physiologischen und ökologischen Kontext zu untersuchen“, so Pierre Stallforth. In weiteren Schritten will das Team auch weitere Polyketidsynthasen der Amöbe erforschen und so mehr über den komplexen Übergang von Ein- zu Vielzelligkeit herausfinden.

Originalpublikation: Günther M, Reimer C, Herbst R, Kufs JE, Rautschek J, Ueberschaar N, Zhang S, Peschel G, Reimer L, Regestein L, Valiante V, Hillmann F, Stallforth P (2022). Yellow polyketide pigment suppresses premature hatching in social amoeba. PNAS, https://doi.org/10.1073/pnas.2116122119

(ID:48675373)

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