Warum brauchen wir Schlaf? Struktur einer der ältesten biologischen Uhren enthüllt

Ein Team deutscher und niederländischer Wissenschaftler hat die Funktionsweise einer der ältesten biologischen Uhren der Erdgeschichte in Cyanobakterien enthüllt. Die Erkenntnisse dieser Studie, die durch modernste Methoden der molekularen Strukturanalyse möglich wurde, können neue Einblicke geben in die Entstehungsgeschichte biologischer Rhythmen.Und sie können dazu beitragen, ein bisher ungelöstes Rätsel der Wissenschaft zu entschlüsseln: Die Frage warum wir Schlaf brauchen.

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Heinrich Heine Universität Düsseldorf

Düsseldorf – Cyanobakterien, auch ‚Blaualgen’ genannt, gehören zu den ältesten Organismen der Erde, die durch Photosynthese Sauerstoff produzieren. Sie bilden damit die Basis für das irdische Leben. Bereits im Jahr 2005 beschrieben japanische Wissenschaftler, dass die biologische Uhr der Cyanobakterien aus nur drei Proteinen KaiA, KaiB und KaiC aufgebaut ist. Diese Proteine bilden die Grundbausteine eines präzisen Uhrwerks und entsprechen damit den Zahnrädern, den Federn und dem Schwungrad einer mechanischen Uhr. Wird diesem System Energie zugeführt – ähnlich dem Aufziehen einer Uhr –, bilden diese drei Proteine ohne weitere äußere Einwirkung den Tag-Nacht-Rhythmus nach. Im Reagenzglas ist ein solch isoliertes System über Wochen stabil. Bis heute war jedoch unklar, wie die drei ‚Uhr’-Proteine dies zusammen tatsächlich bewerkstelligen.

„Zeit eingefroren“ – Proteine der biologischen Uhr im Detail charakterisiert

Mit Hilfe modernster Methoden der molekularen Strukturanalyse wie der nativen Massenspektrometrie und der Kryo-Elektronenmikroskopie gelang es nun Forschern vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried und der Universität Utrecht zusammen mit Jun.-Prof. Dr. Ilka Maria Axmann von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU), drei ‚Uhr’-Proteine im Detail zu charakterisieren und ihr Zusammenspiel zu verstehen. Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden im Fachmagazin Science veröffentlicht.

Doch wie konnten die Wissenschaftler jetzt die Funktion der einzelnen Teile aufklären? „Um das Ticken der biologischen Uhr in Cyanobakterien zu verstehen, haben wir im übertragenen Sinne die Zeit gestoppt“, erklärt der Forschungsleiter Prof. Dr. Albert Heck aus Utrecht. Um die biologische Uhr zu stoppen – sie quasi einzufrieren –, legten die Wissenschaftler die Uhrproteine eine Woche lang in den Kühlschrank.

Die molekularen Strukturen dieser ‚eingefrorenen’ Uhr untersuchten die Forscher mit Hilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie und generierten im übertragenen Sinne ein Standbild. So gelang es, die Position dieser ‚Uhr’-Proteine im Uhrwerk zu bestimmen und zu verstehen, wie die einzelnen Komponenten – der Antrieb, die Feder und das Schwungrad ‒ der biologischen Uhr zusammenarbeiten. Die native Massenspektrometrie ermöglichte es dahingegen, die Häufigkeit des komplexen Ab- und Aufbaus der drei Proteine KaiA, KaiB und KaiC während eines 24-Stunden-Zyklus aufzuklären und die rhythmusgebenden Proteinkomponenten zu bestimmen.

Neue Einblicke in die Entstehungsgeschichte biologischer Rhythmen

In der Arbeitsgruppe von Jun.-Prof. Dr. Ilka Axmann am Institut für Synthetische Mikrobiologie der HHU wurde die einzigartige biochemische Uhr der Cyanobakterien als Baukasten bestehend aus den drei Uhrproteinen in großen Mengen hergestellt. Die Sequenzinformationen der Uhrproteine wurden mit denen in einer umfangreichen Protein-Datenbank gespeicherten Informationen verglichen. Daraus konnten bestimmte Aminosäurereste identifiziert werden, die für die Uhrfunktion essentiell sind. Die Bedeutung dieser Aminosäurenreste konnte auch dadurch bestätigt werden, dass man die Funktion von Uhrproteinen untersuchte, deren Sequenzen verändert wurden.

Prof. Axmann erläutert die Bedeutung der Fragestellung: „Warum benötigen Cyanobakterien eine Uhr? Als phototrophe Organismen sind sie abhängig von der Energie der Sonne. Eine Zeitmessung erlaubt es ihnen, Lichtveränderungen vorherzusehen und ihre Energiegewinnung mittels Photosynthese bereits vor Sonnenauf- bzw. -untergang anzupassen. In der Nacht muss Energie gespart werden – Cyanobakterien teilen sich zum Beispiel nicht im Dunkeln –, man könnte sagen, sie schlafen nachts.“

Tatsächlich sind biologische Uhren weit verbreitet. Die Erkenntnisse dieser Studie können neue Einblicke geben in die Entstehungsgeschichte biologischer Rhythmen. „Sie können dazu beitragen, ein bisher ungelöstes Rätsel der Wissenschaft zu entschlüsseln: Warum brauchen wir Schlaf?“, so Prof. Axmann.

Originalpublikation: J. Snijder, J.M. Schuller, A. Wiegard, P. Lössl, N. Schmelling, I.M.Axmann, J.M. Plitzko, F. Förster & A.J.R. Heck, Structures of the cyanobacterial circadian oscillator frozen in a fully assembled state, Science, März 2017

* Dr. A. Claussen: Heinrich Heine Universität Düsseldorf, 40225 Düsseldorf

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