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Aufschluss über das Leben im ewigen Eis

Zuweilen findet sich auch an Orten Leben, an denen man es nicht vermutet – beispielsweise im arktischen und antarktischen Eis. Die Biodiversität in diesen Gegenden untersucht die Konstanzer Biologin Anique Stecher – von der Probensammlung auf einem Forschungsschiff bis zur Datenauswertung mit einer speziell entwickelten Software. Dadurch wird eine umfassende Bestandsaufnahme der arktischen und antarktischen Lebewesen und ihrer Beziehungen untereinander gewährleistet. Die Forscherin leistet damit einen wichtigen Beitrag zu einem tieferen Verständnis der untersuchten Ökosysteme, ist gleichzeitig aber auch kälteadaptierten Enzymen auf der Spur, die etwa in der Lebensmittelchemie und Waschmittelentwicklung hilfreich sein können.

Mit dem Forschungsschiff Polarstern war die Konstanzer Biologin Anique Stecher bereits zweimal unterwegs, um Proben für ihre Erforschung der Lebewesen in Arktis und Antarktis zu sammeln. © privat

„Obwohl es sich bei Meeresalgen um wesentliche Bestandteile der polaren Ökosysteme handelt, fehlen bisher Biodiversitätsstudien über die Meeresalgengemeinschaft“, erläutert Anique Stecher. Daher befasst die Konstanzer Wissenschaftlerin sich nun selbst mit dieser Aufgabe, nimmt an Bord eines Forschungsschiffs Proben und erstellt daraufhin mit einer speziellen Software DNA-Sequenz-Bibliotheken. Ihr Forschungsprojekt realisiert sie in Zusammenarbeit mit dem Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven. Nach ihrer ersten Beschäftigung mit der Molekularbiologie im Rahmen ihrer Masterarbeit an der Universität Bremen wechselte sie an die Universität Konstanz, nutzt aber weiterhin die Ausstattung des Alfred-Wegener-Instituts für ihre Forschung.

Zwei Forschungsreisen in die Arktis und Antarktis hat sie bereits hinter sich. Zur Probenentnahme bohrten die Forscher Eiskerne aus Eisschollen, die auf dem Schiff in etwa zehn Zentimeter große Teile zersägt wurden. Diese wurden anschließend mit einer Natriumchloridlösung geschmolzen, deren hohe Salzkonzentration die Zellen vor einem osmotischen Schock und einer damit einhergehenden Änderung des Transkriptoms schützen sollte. Anschließend erfolgte eine Filtration durch Polykarbonatfilter, durch die alle Zellen der Gemeinschaft extrahiert werden sollen. Bis zur weiteren Analyse in Deutschland werden die Filter schockgefroren und bei -80 Grad Celsius gelagert.

RNA und DNA geben Auskunft über Biodiversität

Nach der Probenentnahme folgt in Deutschland ihre Analyse. Dazu wird die RNA der Lebewesen extrahiert und analysiert. © privat

„Die Untersuchung der Biodiversität gliedert sich in zwei Bereiche“, erläutert Stecher. „Wir wollen nicht nur die totale Biodiversität analysieren, sondern auch herausfinden, welcher Teil der Gemeinschaft mit seinen Genen im Eis aktiv ist.“ Zudem interessieren die Forscher sich für die Phylogenese der Algenarten, also für den Grad ihrer Verwandtschaft untereinander. Für die verschiedenen Untersuchungsbereiche ergeben sich dabei unterschiedliche Forschungsmethoden. Um einen Überblick über die totale Biodiversität zu erhalten, analysieren die Forscher bestimmte Teile der ribosomalen DNA, also des Abschnitts der DNA, der für die ribosomale RNA kodiert. Allerdings werden so auch Zysten und Übergangsstadien erfasst, die nicht in situ aktiv sind. Um den aktiven Teil der Gemeinschaft zu erfassen, untersuchen Anique Stecher und ihre Kollegen Teile der rRNA der Lebewesen. Diese ist wesentlicher Bestandteil der Ribosomen innerhalb einer Zelle, deren Aufgabe die Synthese von Proteinen anhand der DNA ist. Da Proteine essenzielle Bestandteile von aktiven Zellen sind, lassen sich aus der Analyse der rRNA wichtige Rückschlüsse über den aktiven Teil der Algengemeinschaft in Arktis und Antarktis ziehen.

Effizientere Auswertung dank Software-Entwicklung

Auf die Sequenzierung von DNA und RNA folgt die Auswertung der einzelnen Daten, die allerdings eine wesentliche Schwierigkeit mit sich bringt: „Es entsteht eine enorm große Datenmenge, zu deren Verarbeitung eine geeignete Software benötigt wird“, schildert Stecher. Speziell zur Untersuchung phylogenetischer Beziehungen zwischen den einzelnen Arten musste bisher ein großer Anteil der Datenauswertung manuell bewältigt werden. Mit dem PhyloAssigner wurde vom Forscherteam nun am Alfred-Wegener-Institut eine neuartige Software entwickelt, um eine schnellere Klassifizierung und phylogenetische Zuordnung von DNA-Sequenzen zu ermöglichen. Grundlage der Software ist eine Referenzdatenbank aus bekannten Sequenzen, mit denen das neue Datenmaterial abgeglichen wird.

Die Sequenzen der Datenbank liegen dabei bereits in Form eines Stammbaums vor. So können auch die neuen Daten in dieser Form angeordnet werden. „All dies geschieht automatisch, sodass bei der Auswertung viel Zeit gespart werden kann“, versichert die Biologin. Des Weiteren ist die Software außer für Anique Stechers Projekt auch für andere Forschungsprojekte zur Erfassung phylogenetischer Beziehungen zwischen Organismen anwendbar. An die Auswertung mit Hilfe der Software soll sich die Erstellung von Datenbanken anschließen.

Kälteadaptierte Enzyme mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten

Bis Oktober 2014 arbeitet Anique Stecher an ihrer Studie. „Da wir im Bereich der Grundlagenforschung arbeiten, kann unsere Arbeit die unterschiedlichsten Resultate hervorbringen“, erläutert sie. Ihre Arbeit könnte einen wichtigen Beitrag für ein tieferes Verständnis der arktischen und antarktischen Ökosysteme leisten. Um diese vollständig verstehen zu können, müssen sowohl ihre biotischen als auch ihre abiotischen Elemente gründlich erfasst werden. Auf dieser Grundlage können dann Prognosen über ihre Veränderung, etwa im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung, gestellt werden.

Von besonderer Relevanz sind aber auch bestimmte Enzyme, die einige Meeresalgen aufweisen. Eisstrukturierenden Proteine (AFPs) oder nukleosierende Proteine (INPs) beispielsweise wirken der Formation von Eiskristallen entgegen und werden bereits zum Frostschutz von Lebensmitteln oder zur Erhaltung der Konsistenz von Speiseeis eingesetzt. Auch für die Entwicklung von Waschmitteln oder Reinigern können die kälteadaptierten Enzyme der Lebewesen in Arktis und Antarktis interessant sein, da sie den Ablauf chemischer Prozesse bei niedrigeren Temperaturen ermöglichen und somit energieeffizientere Reinigungsvorgänge ermöglichen.

Energiesparende Waschprozesse dank Proteinen

„Die meisten bisher gut untersuchten Proteine stammen aus Tieren, oft aus Warmblütern, und sind bei moderaten Temperaturen aktiv, menschliche Proteine arbeiten beispielsweise optimal bei 37 Grad Celsius“, bemerkt Anique Stecher. Sie verlieren bei einer Temperaturabsenkung um zehn Grad etwa die Hälfte ihrer Aktivität und denaturieren bei Temperaturen über ca. 45 bis 50 Grad Celsius. Bei sehr niedrigen Temperaturen sind sie häufig gar nicht mehr aktiv. Anders gestaltet es sich bei Proteinen aus Eisalgen, die bereits bei -5 bis 5 Grad Celsius optimal arbeiten. „Man könnte mit Hilfe solcher Proteine technische Prozesse oder Reinigungen in kaltem Wasser ablaufen lassen und so Energie sparen“, blickt die Forscherin voraus. Wie Anique Stecher schildert, sind Enzmye nicht nur Ketten von Aminosäuren, sondern sie sind dreidimensional gefaltet zu einer sogenannten Sekundär- und Tertiärstruktur. Außerdem bilden auch mehrere Proteinketten zusammen erst ein aktives Enzym, die Quartärstruktur. Für diese Faltungen und Zusammenlagerungen sind Wechselwirkungen wie beispielsweise ionische oder Wasserstoffbrücken-Bindungen verantwortlich. Diese müssen umso stabiler sein, je wärmer es ist. Somit muss ein im Warmen arbeitendes Protein anders aufgebaut sein als eines, das im Eis noch aktiv sein soll. „In diesem Bereich würde sich die Zusammenarbeit mit Unternehmen anbieten“, äußert sich Anique Stecher.

Glossar

  • Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine; es gibt insgesamt 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Das Ribosom ist Protein-Nukleinsäurekomplex zur Proteinbiosynthese unter Verwendung von mRNA als Vorlage.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Die Vielfalt von auf der Erde vorkommenden Lebewesen und den unterschiedlich vorkommenden Ökosystemen wird als Biodiversität bezeichnet. Biodiversitätsforschung beschäftigt sich mit dem Einfluss der in einem speziellen Ökosystem vorkommenden Lebewesen auf die Umwelt.
  • Als Ökosystem wird das Zusammenleben zwischen den Lebewesen in ihrer Umwelt bezeichnet.
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