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Die ersten Momente eines komplexen Lebens wurden dank der Wissenschaft wiederhergestellt

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In einem Labor der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich ist einem Forscherteam gerade das Undenkbare gelungen: die Rekonstruktion und Beobachtung live einer der rätselhaftesten Prozesse der Entwicklung des Lebens auf der Erde.

Zum ersten Mal überhaupt kommt es zur Bildung einer endosymbiotischen Beziehung (eine enge Verbindung zwischen zwei Organismen, bei der einer im anderen lebt und eine funktionelle Einheit bildet) zwischen zwei einzelligen Organismen wurde provoziert und genau studiert. Eine mikroskopische Allianz, die die Entstehung von Leben auf unserem Planeten ermöglichte. Weitere Informationen zu dieser Arbeit finden Sie in der in der Zeitschrift veröffentlichten Veröffentlichung des Teams Natur am 2. Oktober 2024.

Eine Fahrradpumpe, ein Mikroskop und eine revolutionäre Entdeckung

Die Geschichte dieser Entdeckung beginnt mit einer scheinbar unüberwindbaren Herausforderung: Wie bringt man ein Bakterium in eine Pilzzelle ein, die durch eine fast undurchdringliche Wand geschützt ist? Angesichts dieser Hürde sagte Gabriel Giger, Doktorand an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, hat eine Methodik entwickelt, die gelinde gesagt originell ist.

Sein Team entwickelte zunächst einen spezifischen Enzymcocktail um die Zellwand aufzuweichenverwendete dann ein Rasterkraftmikroskop, das mit FluidFM-Technologie ausgestattet war; ein hochpräzises Werkzeug, das die Manipulation und Analyse von Proben im Nanomaßstab ermöglicht; in eine mikroskopisch kleine Spritze verwandelt.

Angesichts des intrazellulären Drucks, der bei Injektionsversuchen systematisch das Zytoplasma (flüssiger Inhalt der Pilzzelle) ausstößt, Giger hatte die Idee, … eine Fahrradpumpe zu verwenden. Ja, das hast du richtig gelesen. Diese clevere Lösung ermöglichte es, einen Druck zu erzeugen, der dreimal so hoch war wie der von Autoreifen und ausreichte, um Bakterien den Durchtritt durch die Zellwand zu erzwingen.

Thomas Richards, ein Evolutionsbiologe an der Universität Oxford, konnte sich einen Kommentar nicht verkneifen, obwohl er nicht an dieser Studie beteiligt war diese clevere Ablenkung eines Alltagsgegenstandes. « Die Anpassung einer solchen Technologie an die Injektion von Bakterien in einen Pilz ist ehrlich gesagt beeindruckend ».

Der Pakt zwischen einem Pilz und einem Bakterium

Als Studienmodell wählte das Team einen natürlichen Zusammenhang zwischen dem Pilz Rhizopus microsporus und die Bakterien Mycetohabitans rhizoxinicaein Duo, das für die Welkekrankheit von Reispflanzen verantwortlich ist. Diese Wahl war kein Zufall : In der Natur haben diese beiden Organismen eine so enge Verwandtschaft entwickelt, dass sich der Pilz ohne seinen bakteriellen Partner nicht mehr vermehren kann.

Die ersten Tests mit den berüchtigten Bakterien Escherichia coli (was während der Olympischen Spiele 2024 einen falschen Skandal auslöste) offenbarte die Komplexität des Geschäfts. Diese Bakterien vermehrten sich, sobald sie eingeschleppt wurden, zu schnell, eine tödliche Immunantwort auslösen vom Pilz.

Auf der anderen Seite, M. rhizoxinica bewies eine bemerkenswerte Fähigkeit, die richtige Balance zu finden. Es vermehrte sich mit einer mit seinem Wirt kompatiblen Geschwindigkeit, vermied die Aktivierung der Immunabwehr und erhielt gleichzeitig eine lebensfähige Population. Die „guten“ Bakterien (in diesem Fall Mycetohabitans rhizoxinica) weiß daher, wie man mit dem Pilz lebt, ohne ihn abzutötenim Gegensatz E. coli.

Den Forschern gelang es sogar zu beobachten, wie Bakterien die Pilzsporen nach und nach besiedelten und so deren Übertragung auf nachfolgende Generationen sicherstellten. Diese Fähigkeit, sich in den Fortpflanzungszyklus des Wirts zu integrieren, stellt einen grundlegenden Schritt dar beim Aufbau einer dauerhaften endosymbiotischen Beziehung.

Diese Art von Beziehung hat eine absolut unverzichtbare Rolle gespielt in der Entwicklung des Lebens auf der Erde, auf mehreren Ebenen. Man geht davon aus, dass eukaryontische Zellen, die alle mehrzelligen Organismen (Tiere, Pflanzen und Pilze) bilden, durch Endosymbiose entstehen. Bakterien wurden von anderen Zellen umschlossen, wodurch eine symbiotische Beziehung entstand. Im Laufe der Zeit verwandelten sich diese Bakterien in lebenswichtige Zellorganellen: Mitochondrien (für die Zellatmung) und Chloroplasten (für die Photosynthese).

Der Erwerb dieser Organellen hat neue Stoffwechselwege eröffnet, die es Organismen ermöglichen neue ökologische Nischen zu erschließen und zu diversifizieren. Beispielsweise veränderte das Aufkommen der Photosynthese dank Chloroplasten die Zusammensetzung der Erdatmosphäre radikal, indem es die Luft mit Sauerstoff anreicherte, was die Entstehung komplexerer Lebensformen ermöglichte. Die Endosymbiose ermöglichte es den Organismen später, neue Funktionen zu übernehmen, sich zu spezialisieren und noch komplexere vielzellige Organismen zu bilden.

Zelluläre Symbiose, ein Treiber für Innovation?

Über zehn aufeinanderfolgende Generationen hinweg haben Forscher einen e dokumentierthervorragende gegenseitige Anpassung zwischen den beiden Organismen. Das Pilzgenom erwarb schnell Mutationen, die die Koexistenz mit seinem bakteriellen Partner erleichterten, während die Bakterien ihre Integration in die Pilzsporen optimierten.

Julia Vorholt, Mikrobiologin an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, erklärt, dass Partner im wahrsten Sinne des Wortes „ voneinander abhängig “. Diese gegenseitige Abhängigkeit manifestiert sich sowohl auf der metabolischen als auch auf der genetischen Ebene und führt letztlich zur Entstehung eine neue, voll funktionsfähige Einheit.

Forscher erwägen nun die Entwicklung synthetischer Zellen mit Endosymbionten, Organismen, die in einer anderen Zelle leben und über spezifische Fähigkeiten verfügen, die zur Entwicklung beitragen könnten neue methodische Ansätze in biotechnologie. Mögliche Anwendungen könnten reichen von die Entwicklung neuer Medikamente zur gezielten Entgiftung von Ökosystemen. Auch wenn dies ein wenig unter dem Radar geflogen ist, stellt diese Studie dar ein Riesenschritt in unserem Verständnis der lebenden Welt und insbesondere in unseren Fähigkeiten in der Zelltechnik.

  • Schweizer Forscher haben eine endosymbiotische Beziehung zwischen einem Bakterium und einem Pilz nachgebildet, die für die Evolution komplexer Organismen wesentlich ist.
  • Eine innovative Methode, die ein Präzisionsmikroskop und eine Fahrradpumpe kombiniert, ermöglichte es, die Bakterien trotz einer resistenten Zellbarriere in den Pilz einzuschleusen.
  • Diese Entdeckung könnte zur Schaffung synthetischer Zellen mit neuen Funktionen führen.

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