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Verschließbares Transportsystem für Moleküle Zellen von Blaualgen senden sich Rohrpost

| Autor/ Redakteur: Peter Rüegg* / Christian Lüttmann

Wer im Büro eine andere Abteilung erreichen will, ruft kurz an. Die verschiedenen Zellen in einem Organismus müssen ohne Telefon miteinander kommunizieren. Welches System Cyanobakterien dafür entwickelt haben, haben nun Forscher der ETH Zürich und der Universität Tübingen mit hochauflösender Mikroskopie untersucht. Damit können sie erklären, wie der Stofftransport zwischen einzelnen Zellen der Blaualge reguliert wird.

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Die Verbindungsstellen zwischen Zellen eines Anabaena-Zellverbands sind mit zahlreichen speziellen Kanälen (hellgrün) ausgestattet.
Die Verbindungsstellen zwischen Zellen eines Anabaena-Zellverbands sind mit zahlreichen speziellen Kanälen (hellgrün) ausgestattet.
(Videostandbild: ETH Zürich)

Zürich/Schweiz – Cyanobakterien sind eine spezielle Klasse von Bakterien, die Photosynthese betreiben können. Diese auch als Blaualgen bekannten Mikroorganismen sind entwicklungsgeschichtlich uralt. Vorläufer traten bereits vor 2,5 Milliarden Jahren auf der Erde auf und begannen damit, die Atmosphäre der Erde zu verändern, indem sie mehr und mehr Sauerstoff in die Luft entließen. Durch ihre Photosyntheseprozesse ebneten diese Mikro-Terraformer so letztlich den Weg für höhere Lebensformen.

Arbeitsteilung in Cyanobakterien

Einige Cyanobakterien-Arten sind fädige, mehrzellige Organismen, in denen eine gewisse Arbeitsteilung herrscht. So betreiben die einen Zellen Photosynthese, andere nehmen Luftstickstoff auf. Durch Photosynthese gewinnen die Cyanobakterien Energie in Form von Glukose; den Stickstoff verwenden sie, um Aminosäuren, die Bausteine von Proteinen, zu produzieren.

Den Cyanobakterien stellt sich dabei ein Problem: Wie können die einzelnen Zellen miteinander kommunizieren und Stoffe austauschen? Photosynthese betreibende Zellen müssen nämlich ihre stickstofffixierenden Schwesterzellen mit Glukose versorgen, und in umgekehrter Richtung müssen Aminosäuren transportiert werden. Dazu haben Cyanobakterien spezielle Zellverbindungen entwickelt. Diese erlauben es, Nähr- und Botenstoffe über die Zellgrenzen hinweg auszutauschen, ohne dass die Zellen miteinander verwachsen sind.

Rohrpostsystem mit Verschlusskappen

Über den detaillierten Aufbau und die genaue Funktion der Zellverbindungen bei mehrzelligen fädigen Cyanobakterien war bislang nur wenig bekannt. Mit elektromikroskopischen Aufnahmen hat eine Gruppe von Forschenden der ETH Zürich und der Universität Tübingen nun Aufnahmen in bisher unerreichter Auflösung realisiert. Damit haben sie neue Einsichten in strukturelle Feinheiten und Funktionsweise der Zell-Zell-Verbindungen, so genannter Septalverbindungen, bei der Gattung Anabaena erhalten.

So zeigen sie, dass die Verbindungskanäle aus einer Proteinröhre bestehen, die an beiden Enden mit einem Stopfen verschlossen werden kann. Zudem ist diese Röhre überdacht mit fünfarmigen Protein-Elementen, die ähnlich einer Kamerablende angeordnet sind.

Die Verbindungen von Anabaena-Zellen (l.) verfügen über spezifische Kanäle, deren Aufbau (3. Bild v.l.) ETH-Forscher erstmals hochaufgelöst aufklärten.
Die Verbindungen von Anabaena-Zellen (l.) verfügen über spezifische Kanäle, deren Aufbau (3. Bild v.l.) ETH-Forscher erstmals hochaufgelöst aufklärten.
(Bild: Gregor Weiss / ETH Zürich)

Die Kanäle verbinden die Cytoplasmen der beiden benachbarten Zellen und reichen dabei durch die jeweiligen Membranen und Zellwände hindurch. Die Zellen sind durch einen hauchdünnen Spalt von wenigen Nanometern Breite voneinander getrennt.

Mikroskopie in feinen Scheiben

„Mit herkömmlicher Elektronenmikroskopie konnte man diese Details bisher nicht klären. Dank einer Erweiterung der Kryo-Elektronenmikroskopie ist es uns gelungen, Einblicke in bislang unerreichter Genauigkeit zu erhalten“, sagt Martin Pilhofer, Professor am Institut für Molekularbiologie und Biophysik der ETH Zürich.

Um die Cyanobakterien mit der Kryo-Elektronenmikroskopie zu untersuchen, musste Pilhofers Doktorand Gregor Weiss zunächst ein neues Verfahren entwickeln. Denn die kugeligen Zellen wären ohne Vorbehandlung für eine Anwendung in der Kryo-Elektronenmikroskopie zu dick gewesen. Deshalb hat Weiss in gefrorenen Cyanobakterien die Verbindungsstelle zwischen zwei Zellen schichtweise „abgefräst“, bis seine Probe dünn genug war.

Bei Gefahr macht die Zelle die Schotten dicht

Die Stofftransporte in der Zelle zu untersuchen, erforderte zudem noch etwas Farbe. Zunächst färbten die Forscher Cyanobakterien-Ketten mit einem fluoreszierenden Farbstoff ein und bleichten dann einzelne Zellen gezielt mit einem Laser. Danach maßen sie den Einstrom des Farbstoffs aus Nachbarzellen.

„Aufgrund der komplexen Struktur der Verbindungskanäle vermuteten wir einen Mechanismus, der die Kanäle öffnet und schließt“, sagt Karl Forchhammer, Professor für Mikrobiologie an der Universität Tübingen. Tatsächlich konnte er zusammen mit seinem Team zeigen, dass die Kanäle bei Behandlung mit Chemikalien oder im Dunkeln wortwörtlich die Schotten dichtmachen. Dabei verschließt sich die filigrane Kappenstruktur eines Kanals wie eine Irisblende und unterbricht den Stoffaustausch zwischen den Zellen, was die Wissenschaftler an unterschiedlich starker Fluoreszenz erkannten.

In dem Video der ETH sind Mikroskopieaufnahmen und Computervisualisierungen der Zell-Zell-Verbindungen zu sehen:

Schließmechanismus schützt Zellverband

„Ein solcher Schließmechanismus schützt den gesamten Zellverband“, sagt Forchhammer. So könne eine Zelle verhindern, dass sie beispielsweise Schadstoffe an ihre Nachbarzellen weitergebe, was den gesamten Organismus zum Absterben bringen könnte. Auch können die Cyanobakterien mithilfe der Kanäle verhindern, dass bei mechanischer Beschädigung einzelner Zellen der Inhalt des gesamten Verbundes ausläuft.

Die aktuelle Studie zeigt den Forschern zufolge, dass Zellverbindungen in mehrzelligen, nicht näher verwandten Organismen im Lauf der Evolution mehrmals „erfunden“ wurden und sich parallel entwickelten. „Dies unterstreicht, wie wichtig es ist, dass ein mehrzelliger Organismus den Warentransport zwischen einzelnen Zellen kontrollieren kann“, sagt Pilhofer. Indem sie die Kanalstruktur und -funktion bei Cyanobakterien erklärt haben, fügen die ETH-Forscher dem Gesamtbild ein weiteres Puzzleteil hinzu. „Für uns ist diese Arbeit biologische Grundlagenforschung ohne Fokus auf eine mögliche Anwendung. Vielmehr erlauben uns die neuen Daten Einblicke in die Evolution komplexer Lebewesen“, erklärt der ETH-Professor.

Originalpublikation: Weiss GL, Kieninger A-K, Maldener I, Forchhammer K, Pilhofer M.: Structure and function of a bacterial gap junction analog, Cell. Volume 178, Issue 2, P374-384.e15, July 11, 2019; DOI 10.1016/j.cell.2019.05.055

* P. Rüegg ETH Zürich, 8092 Zürich/Schweiz

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