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Photosynthetische Bakterien spielten eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung unserer Erde. So produzierten Cyanobakterien beispielsweise Sauerstoff und ermöglichten dadurch komplexes Leben. Forschende am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) präsentieren nun ein „Evolutions-Update“ der kleinen grünen Mikroorganismen: ein Protein-System, das im Laufe der Zeit seine Aufgabe verändert hat – von der Trennung der DNA hin zur Formgebung der Zelle. Die in Science veröffentlichte Studie zeigt, wie sich solche Proteinsysteme weiterentwickelten und so zur Entstehung der Multizellularität bei Cyanobakterien beitrugen.
„Im Grunde genommen sind Cyanobakterien die Pioniere der sauerstoffproduzierenden Photosynthese“, erklärt Benjamin Springstein, Postdoktorand in der Loose Gruppe am Institute of Science and Technology Austria (ISTA).
„Sie sind für die ‚Große Sauerstoffkatastrophe‘ vor etwa 2,5 Milliarden Jahren verantwortlich, als sich Sauerstoff in der Atmosphäre anreicherte und aerobes Leben ermöglichte. Man kann also mit Sicherheit sagen, dass ohne sie keiner von uns heute hier wäre.“
Auch heute noch sind diese Organismen von großer Bedeutung: Sie tragen wesentlich zur globalen Biomasseproduktion bei und spielen eine Schlüsselrolle im Kohlenstoff- und im Stickstoffkreislauf. Sie leben in einigen der extremsten Umgebungen der Erde – von heißen Quellen bis zur Arktis, aber auch als grüner Bewuchs auf Häusern in unseren Städten. Anabaena (Anabaena sp. PCC 7120) – ein mehrzelliges Cyanobakterium – ist zum Beispiel seit mehr als 30 Jahren Gegenstand der Forschung.
In der Forschungsgruppe von Professor Martin Loose – in enger Zusammenarbeit mit der Schur Gruppe am ISTA sowie Wissenschafter:innen vom Institut Pasteur de Montevideo in Uruguay, der Universität Kiel und der Universität Zürich – haben Springstein und seine Kolleg:innen spannende neue Erkenntnisse gewonnen. Sie zeigen, dass Anabaena, und vermutlich auch viele andere mehrzellige Cyanobakterien, im Verlauf der Evolution einen bemerkenswerten Wandel durchlaufen haben. Ein uraltes System zur Trennung der DNA wurde mit der Zeit umfunktioniert und übernahm eine völlig neue Aufgabe: Es steuert heute als Zytoskelett die Form der Zelle.
DNA in Bakterien: Eine kurze Einführung
Wie alle Bakterien vermehrt sich Anabaena durch Zellteilung. Dafür notwendig ist eine präzise Replikation und Verteilung ihres genetischen Materials. Dieses genetische Material – die DNA – ist fest in Chromosomen verpackt, ähnlich wie ein Draht um eine Spule. Chromosomen liegen oft in mehreren Kopien vor und müssen während der Zellteilung zuverlässig vererbt werden, damit die Tochterzellen lebensfähig bleiben.
Bakterielle DNA existiert in zwei Hauptformen: Chromosomen, die für das Überleben entscheidende Gene tragen, und Plasmide, die zusätzliche, oft nicht essenzielle Gene enthalten. Plasmide sind besonders mobil, da sie leicht von einem Bakterium auf ein anderes übertragen werden können, wodurch Bakterien schnell neue Eigenschaften erwerben und sich rasch weiterentwickeln können.
Ein DNA-Trennsystem – bis es keines mehr war
Seit 2014 ist Springstein von Anabaena fasziniert und erforscht deren evolutionäre und molekulare Geheimnisse. Als durch die COVID-19-Pandemie die Labore geschlossen wurden, wandte er sich der Literatur zu, um eine Review zu verfassen. Dabei stieß er auf etwas Überraschendes, was ihn einfach nicht locker ließ. „Die Beobachtung war zufällig“, erinnert sich der Forscher.
Anabaena und einige andere ausgewählte mehrzellige Cyanobakterien besitzen ein sogenanntes ParMR-System, das auf ihren Chromosomen kodiert ist. Dieses System wird traditionell mit der Plasmid-Segregation in Verbindung gebracht und wurde bisher nur auf Plasmiden (der mobile Genspeicher-Ort der Bakterien) gefunden. Die neue Beobachtung versprach aber genau das Gegenteil. Springstein stellte die Hypothese auf, dass dieses System während der Zellteilung möglicherweise aktiv Chromosomen und nicht Plasmide trennt, um die ordnungsgemäße Aufrechterhaltung der DNA sicherzustellen.
Später schloss sich Springstein als IST-Bridge-Fellow der Forschungsgruppe von Martin Loose am ISTA an, um diese Idee zu überprüfen. Seine Experimente ergaben jedoch ein anderes Bild. Eine Komponente, ParR, konnte beispielsweise nicht mehr an die DNA binden; stattdessen verband sie sich mit Lipidmembranen, insbesondere mit der inneren Zellmembran. Anstatt im Cytoplasma Faser-Bündel zur Chromosomentrennung zu bilden, organisiert Anabaenas ParM Filament-Netzwerke direkt unterhalb der inneren Zellmembran, die sich zu einem Geflecht von Proteinpolymeren ähnlich des Zellkortex zusammenlagern.
Mit anderen Worten: Anstatt die erwarteten spindelartigen Strukturen im Cytoplasma zu erzeugen, wie man sie bei einem Chromosomen-Trennungssystem erwarten würde, scheint die Separation über eine membran-assoziierte Organisation zu funktionieren.
Zellen verlieren ihre Form
Um dieses Rätsel weiter zu entschlüsseln, bauten die Forscher:innen das System außerhalb lebender Zellen unter Verwendung der gereinigten Komponenten nach. In diesen In-vitro-Rekonstitutionsversuchen beobachteten sie, dass die Filamente eine dynamische Instabilität aufweisen – die Filamente wachsen, bevor sie beim Abbau plötzlich zusammenbrechen, ein Verhalten, das von Mikrotubuli in eukaryotischen Zellen bekannt ist.
Um die strukturellen Grundlagen dieses Verhaltens zu verstehen, arbeitete die Loose Gruppe mit dem Team von Florian Schur und dem Doktoranden Manjunath Javoor zusammen. Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie – einer Technik, die molekulare Strukturen mit nahezu atomarer Auflösung abbildet – untersuchten die Forscher:innen die Architektur dieser Filamente. Das Ergebnis: Im Gegensatz zum Plasmid-kodierten ParMR-System in anderen Bakterien, das polare Filamente bildet, sind die Filamente von Anabaena bipolar, was bedeutet, dass sie von beiden Enden her wachsen und schrumpfen können.
Die funktionellen Konsequenzen wurden deutlich, als sie das System aus lebenden Zellen entfernten.
„Zellen, denen das System fehlte, verloren ihre normale rechteckige Zellform und wurden stattdessen rund und geschwollen“, erklärt Springstein.
Ähnliche Defekte sind häufig bei Mutationen von Genen zur Aufrechterhaltung der Zellform in anderen Bakterien zu beobachten, was stark darauf hindeutet, dass dieses System eine Rolle bei der Steuerung der Zellmorphologie und nicht bei der DNA-Segregation spielt.
Entsprechend seiner neu entdeckten Funktion und seiner Lokalisation innerhalb der Zelle benannten die Forscher:innen das System in „CorMR“ um.
Vier Schritte für ein Halleluja
Mehrzellige Cyanobakterien entwickelten sich aus einzelligen Vorfahren durch eine schrittweise Zunahme der zellulären Komplexität. Bioinformatische Analysen der Kooperationspartnerin Daniela Megrian vom Institut Pasteur in Montevideo (Uruguay) zeigen, wie sich das CorMR-System entwickelte – eine Anpassung, die nicht auf einmal, sondern durch eine Reihe von Veränderungen zustande kam.
Die Transformation vollzog sich wahrscheinlich in vier wesentlichen Schritten: Das System wanderte vom Plasmid auf das Chromosom; seine Komponenten veränderten sich in Größe und Struktur; es entstanden neue Fähigkeiten zur Membranbindung; und das System geriet unter die Kontrolle eines zusätzlichen Protein-System. Zusammen verwandelten diese Veränderungen einen uralten Mechanismus zur DNA-Segregation in einen Mechanismus, der die Zellform steuert.
Springstein und seine Kolleg:innen sind der Ansicht, dass es dazu noch viel zu entdecken gibt. Sie erforschen weiterhin die Biologie der Cyanobakterien, um besser zu verstehen, wie das CorMR-System die Zellform steuert und warum mehrzellige Cyanobakterien diesen zusätzlichen Mechanismus neben dem klassischen System zur Steuerung der Zellform entwickelt haben.
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Projektförderung:
Dieses Projekt wurde durch Mittel aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm „Horizon 2020“ der Europäischen Union im Rahmen des Marie-Skłodowska-Curie-Grant Agreement No.101034413 (BLS); dem Förderprogramm „ActinID“ des European Research Council (ERC) der Europäischen Union, Nr. 101076260 (FKMS); dem Starting Grant der Swiss National Science Foundation (TMSGI3_226208) sowie der Jean-Jacques et Letitia Lopez-Loreta Foundation (beide GLW) finanziert.
Springstein et al. 2026. Repurposing of a DNA segregation machinery into a cytoskeletal system controlling cell shape. Science. DOI: 10.1126/science.aea6343
https://doi.org/10.1126/science.aea6343
https://ista.ac.at/de/forschung/loose-gruppe/ Forschungsgruppe "Selbstorganisation von Proteinsystemen" am ISTA
https://ista.ac.at/de/forschung/schur-gruppe/ Forschungsgruppe "Virus-, Zell- und Gewebe-Architektur" am ISTA
Fluoreszierende Anabaena. Fluoreszenzmarkierte CorM-Filamente im Inneren von Anabaena. Sie stellen e ...
Copyright: © Loose Gruppe / ISTA
ISTA-Kooperation zwischen den Gruppen von Martin Loose und Florian Schur. Hinten, von links nach rec ...
Copyright: © ISTA
CorM-Filamente in Anabaena. Das grüne Signal entspricht den CorM-Filamenten, das violette Signal den photosynthetischen Pigmenten der Cyanobakterien.
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Biologie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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