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Faszinierenden Kieselalgen auf der Spur

Kieselalgen, auch Diatomeen genannt, haben einen maßgeblichen Anteil an der Sauerstoffbildung und Biomasse-Produktion in den Weltmeeren und aquatischen Ökosystemen. Über ihre Molekularbiologie und Biochemie ist jedoch sehr wenig bekannt. Mehr Licht ins Dunkle zu bringen versuchen Prof. Peter Kroth und sein Team an der Universität Konstanz. Erst kürzlich waren die Forscher an der Entschlüsselung des Genoms der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum beteiligt, welche eine Reihe an Überraschungen barg.

Algen-Forscher Prof. Peter Kroth (rechts) und sein Mitarbeiter Dr. Ansgar Gruber mit Petrischale mit Phaeodactylum-Transformanten © Uni Konstanz

Sie kommen teilweise als Phytoplankton in den oberen Schichten von Flüssen, Seen und Meeren vor, betreiben dort Photosynthese und können gleichzeitig Zooplankton und Fischen als Nahrung dienen – die Rede ist von Kieselalgen (Diatomeen). Für Botaniker sind sie, seit es Mikroskope gibt, nicht mehr fremd. Schon Ernst Haeckel hatte Kieselalgen in ihrer Schönheit darstellen lassen und sie als "Schachtellinge" bezeichnet aufgrund ihrer wie Hutschachteln ineinander gestülpten Kieselschalen. „In der Forschung hat man sich jedoch zunächst um die klassischen Modellorganismen gekümmert, wie zum Beispiel das Bakterium E.coli, die Fruchtfliege Drosophila melanogaster als Modell für Insekten, den Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana als Modell für höhere Pflanzen oder Mäuse und Ratten als Modelle für Wirbeltiere“, verweist Prof. Peter Kroth auf die bisher geringen Kenntnisse über die Molekularbiologie und Biochemie von Diatomeen.

In den vergangenen Jahren hat sich aufgrund der fortgeschrittenen Technologie und der damit verbundenen drastisch gestiegenen DNA-Sequenzierungs-Kapazität jedoch die Möglichkeit eröffnet, durch molekulare Analysen das Verständnis der Physiologie und Biochemie zu erweitern. „Die Entwicklung eines genetischen Transformationssystems für Diatomeen vor gut zehn Jahren hat dieser Organismengruppe zudem ein besonderes Interesse beschert“, erklärt der Biochemiker. Diatomeen sind mit Braunalgen verwandt, die Chloroplasten sind aus eingewanderten Rotalgen entstanden.

Genom-Untersuchungen mit verschiedenen Einzellern

Kroth und seine Arbeitsgruppe befassen sich mit der Erforschung mehrerer Arten von Diatomeen, darunter Phaeodactylum tricornutum, Skeletonema costatum, oder Thalassiosira pseudonana. Neben Untersuchungen im Labor, wo die Kulturbedingungen für die Algen klar definiert werden können, gehören immer wieder auch Exkursionen mit Studenten und Probennahmen im Bodensee zum Alltag der Konstanzer Wissenschaftler. „Obwohl alle Diatomeen Einzeller sind, haben sie ganz unterschiedliche Lebensweisen“, bemerkt Prof. Peter Kroth. Ein Teil lebt vor allem in Uferbereichen auf Oberflächen wie Sand oder Steinen und kann sich dort durch Ausscheidung von Kohlenhydraten fortbewegen, andere wiederum treiben als Plankter in den oberen Schichten der Seen und Meere. Gleichzeitig kann auch die Physiologie und Biochemie unterschiedlich sein. „So konnte man bereits zeigen, dass sich ein Teil der Diatomeen hinsichtlich der Photosynthese wie sogenannte C3-Pflanzen verhalten, während andere eher den C4-Pflanzen - wie zum Beispiel dem Mais - ähneln“, konstatiert der Konstanzer Wissenschaftler. Der Unterschied bestehe ihm zur Folge vor allem darin, wie Kohlendioxid für die Photosynthese gebunden wird.

Prof. Peter Kroth und sein Team konnten jüngst durch ihre Genom-Untersuchungen zeigen, dass Phaeodactylum eine ungewöhnliche Anzahl von CO2-fixierenden Enzymen in unerwarteten Kompartimenten aufweist. „Unsere Erkenntnisse haben uns zudem Aufschluss über eine weitere ungewöhnliche Eigenschaft der Kieselalgen gebracht, nämlich ihrem Umgang mit hohen Lichtintensitäten“, sagt Kroth. Demzufolge können planktische Diatomeen durch Strömungen sehr schnell aus dunkleren Bereichen nach oben in die lichtdurchfluteten Gebiete gelangen. „Diatomeen sind besonders gut darin, einen Teil der aufgenommen Lichtenergie in Wärmeenergie umzuwandeln und damit unschädlich zu machen“, berichtet der Forscher.

Analyse von Phaeodactylum tricornutum verblüfft

Vor Kurzem hat Kroth’s Arbeitsgruppe an der Annotation des Genoms der Diatomee Phaeodactylum tricornutum am Joint Genome Institute (JGI) in Kalifornien entscheidend mitgewirkt, die einige Überraschungen mit sich brachte. „So sind viele Calvin-Zyklus-Enzyme in mehrfacher Kopie vorhanden und es ist unklar, ob diese Kopien durch differentielle Genexpression eine fehlende Regulationsmöglichkeit über Thioredoxine kompensieren sollen oder ob die Duplikation auf Gen-Transferprozesse während sekundärer Endocytobiose-Aktivitäten verweist“, sagt Prof. Peter Kroth.

Die Forscher beschäftigt nun die Frage, warum die Organismen alle diese Gene behalten haben. Kroth zur Folge zeigten Expressions-Analysen (EST-Datenbanken), dass diese Gene in den Zellen aktiv exprimiert werden. „Isogene beziehungsweise Isoenzyme werden in vielzelligen Organismen häufig entwicklungsspezifisch in bestimmten Geweben exprimiert, bei Einzellern hingegen kann dies von äußeren Bedingungen abhängig sein“, berichtet der Algen-Forscher. So wird offenbar eine der fünf bekannten Fructose-bisphosphat-Aldolasen in Phaeodactylum unter Eisenmangel besonders stark exprimiert. Generell könnte, wie Prof. Peter Kroth berichtet, eine erhöhte Anzahl von Isoenzymen eine bessere Anpassung an Änderungen der Umweltbedingungen bedeuten – was einen Teil des Erfolgs der Diatomeen erklärt.

Der wichtigste Stoffwechselweg der Photosynthese, der Calvin-Zyklus (reduktiver Pentosephosphatweg), wird in Pflanzen-Plastiden lichtabhängig reguliert, damit er nicht zeitgleich mit dem oxidativen Pentosphosphatweg läuft, bei dem sonst das frisch gebundene CO2 direkt wieder freigesetzt würde. „Daher werden die Enzyme des reduktiven Wegs in Pflanzen sehr effektiv über das Redox-Enzym Thioredoxin im Licht eingeschaltet, während die Enzyme des oxidativen Pentosephosphatwegs nur im Dunkeln aktiv sind“, so Prof. Peter Kroth. Erkennbar sei an den Daten, dass viele der Enzyme, die in Pflanzen durch lichtabhängige Reduktion über das Protein Thioredoxin im Licht aktiviert werden, in Diatomen nicht redox-reguliert sind. Lediglich ein einziges Enzym des Calvin-Cyclus, die Fructose-1,6-bisphosphatase, scheint in Diatomeen auf diese Weise eingeschaltet zu werden. „Dies könnte für die Steuerung des Calvin-Zyklus in Diatomeen ausreichend sein, da der oxidative Pentosephosphatweg in Diatomeen im Laufe der Evolution aus den Plastiden in das Cytosol verlagert wurde“, stellt Prof. Peter Kroth fest.

Grafik zeigt die Entstehungsgeschichte von Diatomeen durch primäre Endosymbiose, bei der eine Wirtszelle ein Cyanobakterium aufgenommen und in ein Organell umgewandelt hat.
Photosynthetische Organellen aller Algen, die Plastiden, sind vermutlich durch primäre Endosymbiose entstanden, bei der eine Wirtszelle ein Cyanobakterium aufgenommen und in ein Organell umgewandelt hat. Ein wichtiger Aspekt war der Transfer vieler Gene (schwarze Pfeile) in den Kern der Wirtszelle. Die in den Plastiden benötigten Proteine (ca. 2000-3000 Proteine), deren Gene jetzt im Kern lokalisiert sind, müssen nun in die Organellen importiert werden (rote Pfeile). Solche primären Plastiden findet man in Grünalgen (z.B. Chlamydomonas reinhardtii), in Rotalgen und in Landpflanzen. In Diatomeen und verwandten Algen hat sich vermutlich eine sekundäre Endosymbiose ereignet, bei der eine komplette eukaryotische Rotalge von einer Wirtszelle aufgenommen und in ein Organell umgewandelt wurde. Bis auf die Plastiden wurden alle zellulären Bestandteile des Endosymbionten abgebaut, während die Membranen erhalten blieben, so dass nun alle Proteine und Metabolite über vier Membranen transportiert werden müssen. Ein Teil der Gene des Endosymbionten wie auch bakterielle Gene sind aber auch im Kerngenom von Phaeodactylum zu finden. (N: Kern; P: Plastide; ER: endoplasmatisches Retiuculum). © Peter Kroth

Spannende Rückschlüsse auf die Evolutionsgeschichte

Weiterhin weisen Diatomeen einige Besonderheiten im Stoffwechsel auf, die mit ihrer ungewöhnlichen Evolution zu tun haben. Während Plastiden aller Algen auf Cyanobakterien zurückgeführt werden, die durch Wirtszellen aufgenommen und dann quasi domestiziert und zu Organellen degradiert wurden, entstanden Diatomeen und verwandte Algengruppen durch einen weiteren Aufnahmeschritt. Dabei wurde eine komplette Algenzelle in eine Wirtszelle aufgenommen und wiederum zu einer Plastide reduziert. „Damit waren dann umfangreiche genomische Re-Arrangements und eben auch Umlagerungen von Stoffwechselwegen verbunden“, so Prof. Peter Kroth. So weisen Diatomeen einen Harnstoff-Zyklus auf, den man nur von Tieren aber nicht von Pflanzen kennt. Elementare Wege - wie zum Beispiel die Nukleotid-Biosynthese - wurden aus den Plastiden in das Cytosol verlagert. Das bedeutet natürlich auch, dass neue Transportwege für Metabolite etabliert werden mussten.
„Wir konnten somit zeigen, dass beispielsweise im Fall eines Nukleotid-Translokators vermutlich einfach das Gen eines intrazellulären parasitären Bakteriums übernommen wurde“, erklärt der Konstanzer Biochemiker. Auch führten die Redundanz durch die sekundäre Zellaufnahme sowie der laterale Gentransfer in einigen Fällen zu einer erhöhten Anzahl von Isogenen, deren Bedeutung für den Stoffwechsel noch ungeklärt sei. Schließlich konnten wir noch mehrere Gene identifizieren, bei denen Enzyme für aufeinander folgende Reaktionen fusioniert wurden, so dass sie als Doppelenzyme in der Zelle vorkommen und so möglicherweise katalytische Umsatzraten erhöhen.

Prof. Peter Kroth und sein Team konnten in der Vergangenheit herausfinden, dass einige Stoffwechselwege in den Zellen von Kieselalgen anders verteilt sind als in den Zellen grüner Landpflanzen. „Im Gegensatz zu Pflanzen, in denen die Adressierungssignale für die wichtigen Kompartimente Chloroplasten und Mitochondrien nur leicht unterschiedlich sind ("Transitsequenzen") und nicht immer zweifelsfrei vorhergesagt werde können, unterscheiden sich die entsprechenden Adressierungssignale für die beiden Organellen in Diatomeen sehr stark“, so Kroth. Für Plastiden konnten er und sein Team sogar ein stark konserviertes Aminosäuremotiv nachweisen ("AFAP"-Motif). Die computergestützten Vorhersagen sind damit relativ gut und können anschließend über mikroskopische Lokalisierung von GFP-Fusionsproteinen überprüft werden.

Gene mit Bakterienmerkmalen

Überrascht waren die Konstanzer Forscher bei Ihren Untersuchungen des Phaeodactylum tricornutum zudem darüber, dass viele der Gene eher Genen von Tieren als von Pflanzen ähnelten, sowie über den hohen Anteil bakterieller Gene im Genom. Kroth zur Folge waren rund 7,5 Prozent der Gene ähnlicher zu Bakterien als zu Pflanzen oder Tieren. „Dies bedeutet, dass horizontaler Gentransfer zwischen völlig verschiedenen Organismen - also nicht durch Vererbung - eine viel größere Rolle in der Evolution der Diatomeen und auch anderer Organismen spielt als bisher angenommen“, erklärt der Konstanzer Forscher. Der hohe Anteil der bakteriellen Gene könnte Kroth zur Folge auf die Ernährungsweise der nicht-photosynthetischen Wirtszelle bei Diatomeen zurückgeführt werden. „Viele einzellige Organismen ernähren sich über Aufnahme von Bakterien, die dann verdaut werden. Auf diese Weise kann natürlich leicht die DNA der Beute in die Zellen gelangen“, so der Konstanzer Wissenschaftler. Genetische Transformationsexperimente zeigen, dass in verschiedenen Organismen DNA schnell in den Kern migrieren und integrieren kann, sobald sie einmal in das Cytosol gelangt. Das muss nur häufig genug passieren, damit in der Evolution diese Gene auch Kern-Promotoren (Genschalter) bekommen, mit denen sie dann exprimiert werden können.

Interessant ist auch die Evolutionsgeschwindigkeit von Diatomeen, deren beide Hauptlinien sich vor zirka 90 Millionen Jahren getrennt haben. Die Genome der beiden Repräsentanten dieser Gruppen, Thalassiosira und Phaeodactylum, unterscheiden sich laut Kroth jedoch stärker voneinander als die Genome von Fischen und Menschen, die sich vor etwa 550 Millionen Jahren voneinander getrennt haben.

Diatomeen als Retter vor der Klimaerwärmung?

Zum Stopp der fortschreitenden Klimaerwärmung werden Kieselalgen trotz ihrer
wichtigen Funktion im Kohlendioxid-Haushalt der Erde laut Prof. Peter Kroth wohl wenig beitragen können. „Eisen-Düngungs-Experimente des Alfred-Wegener-Instituts in diesem Jahr zeigten, dass man durch Eintrag von Eisensulfat ein kurzfristiges Massenvorkommen von Diatomeen erzeugen kann, die dann auch viel CO2 durch Photosynthese binden. Aber gleichzeitig wurden diese Algen auch entsprechend schnell aufgefressen und damit das CO2 wieder freigesetzt. Man ist sich einig, dass sich solche Experimente für Grundsatzfragen eignen, aber großflächig auch aufgrund ökologischer Bedenken nicht in Frage kommen“, so der Konstanzer Forscher.

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