Kiel Life Science

Interdisziplinäre lebenswissenschaftliche Forschung

Bilder aus der KLS Forschung

Interdisziplinäre Forschung unter dem Dach von Kiel Life Science (KLS) verbindet die Expertise von Forscherinnen und Forschern auf den Gebieten der Bioinformatik, Umweltgenetik, Agrarwissenschaften, Evolutionsbiologie und Genetik, Lebensmittelwissenschaften und Evolutionsmedizin. Der fächerübergreifende Ansatz zeigt sich institutionell in der Beteiligung der forschungsstärksten Fakultäten, herausragender Forschungszentren und weiterer großer Verbundforschungsprojekte an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Gemeinsames Ziel innerhalb des Forschungsschwerpunkts KLS ist es, die lebenswissenschaftliche Forschung voranzutreiben und Kiel damit zu einem national und international bedeutenden Standort auf diesem Gebiet zu machen.

Aktuelle Forschungsmeldungen:

Zelluläres Gedächtnis überlistet Krankheitskeime

13.09.2018

Studie des Kiel Evolution Center belegt Wirksamkeit der sequentiellen Antibiotika-Therapie gegen den Krankheitskeim Pseudomonas aeruginosa
 
Die Weltgesundheitsorganisation WHO warnt davor, dass sich scheinbar harmlose Bakterieninfektionen in den nächsten Jahren zu einer der häufigsten Todesursachen vor allem in den Industrienationen entwickeln könnten. Diese dramatische Bedrohung ist entstanden, weil die seit Jahrzehnten als Standardtherapie verschriebenen Antibiotika in vielen Fällen durch sich ausbreitende Resistenzen wirkungslos geworden sind und diese Entwicklung mit zunehmender Geschwindigkeit weitergeht. Ursache des Problems ist die Fähigkeit der Keime zur schnellen evolutionären Anpassung an die eingesetzten Wirkstoffe. Die Konsequenz ist, dass selbst neue Antibiotika innerhalb kurzer Zeit ineffektiv werden können. Daher verfolgen Forschende weltweit einen alternativen Ansatz, um in der sich zuspitzenden Antibiotika-Krise die Oberhand zurückzugewinnen. Sie versuchen durch die Anwendung evolutionsbiologischer Prinzipien die Wirksamkeit der aktuell vorhandenen Wirkstoffe länger zu erhalten. Ein Forschungsteam des Kiel Evolution Center (KEC) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat gemeinsam mit Kollegen am Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön und der schwedischen Universität Uppsala dazu ein bisher unbekanntes Prinzip aufgedeckt, das eine komplett neue und gleichzeitig höchst nachhaltige Therapieform ermöglicht. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler gestern in der renommierten Fachzeitschrift PNAS.
 
Das untersuchte Behandlungsverfahren macht sich ein simples Prinzip zunutze: Auf die kurze, impulsartige Gabe eines bestimmten Präparats folgt anschließend die Anwendung eines Antibiotikums mit einer anderen Wirkungsweise. Am Beispiel des Bakteriums Pseudomonas aeruginosa, das laut WHO zu den kritischsten Keimen mit multiplen Resistenzen gehört, erprobten die Kieler Forschenden diese abwechselnde Gabe unterschiedlich wirkender Medikamente. Dazu untersuchten sie in einem Evolutionsexperiment rund 200 Bakterienpopulationen über insgesamt 500 Generationen und beobachteten, wie sich verschiedene Antibiotika und ein geändertes zeitliches Schema der Medikamenten-Wechsel auswirkten. Dabei fanden sie heraus, dass besonders die Abfolge eines Penicillin-ähnlichen Wirkstoffs und eines sogenannten Aminoglykosids und der schnelle Wechsel mit zufälligen Intervallen besonders gut wirkten.
 
„Ein kurzer einleitender Behandlungsimpuls macht den Keim anfällig, weil er das Eindringen weiterer Medikamente in die Bakterienzellen erleichtert. Das zweite Antibiotikum erledigt gewissermaßen den Rest und tötet die verbleibenden Krankheitserreger zuverlässig ab“, erklärt Professor Hinrich Schulenburg, Leiter der Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik an der CAU und KEC-Sprecher. Diese Wirkung ist entscheidend von der Reihenfolge des Medikamenten-Wechsels abhängig. Das impulsgebende Präparat muss zuerst wirken, da es in die Struktur der Zellwände des Bakteriums eingreift und so das Einfallstor für den zweiten Wirkstoff öffnet. Zudem sind die Geschwindigkeit und das Muster der Sequenz ausschlaggebend: „Wechselt man die beiden Medikamente schneller als in der üblichen Antibiotikatherapie und in zufälligen Abständen, lässt sich die Bildung der gefürchteten Resistenzen am deutlichsten hemmen“, so Schulenburg weiter.
 
Ursächlich für den Erfolg der Sequenzbehandlung ist das sogenannte zelluläre Gedächtnis der Krankheitserreger. Durch das erste Antibiotikum werden die zellulären Eigenschaften der Keime über mehrere Generationen hinweg so verändert, dass das zweite Antibiotikum auch mit Verzögerung besser wirken kann. „Durch das erste Antibiotikum wird quasi eine Tür geöffnet, die dem zweiten Antibiotikum leichteren Eintritt verschafft“, erläutert Dr. Roderich Römhild, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik und Erstautor der Veröffentlichung. „Dieser Ansatz ist aus evolutionärer Sicht besonders vielversprechend, da die Keime nun gezwungen werden, eine Abwehr gegen das Öffnen der Tür und somit den zellulären Gedächtniseffekt zu entwickeln – anstelle von direkter Resistenz gegen das Antibiotikum“, so Römhild weiter. Im Experiment konnte eine geringere Resistenzentstehung in überzeugender Form bestätigt werden.
 
Erstaunlich ist, dass bereits vor rund 30 Jahren durch Zufall exakt der nun vorgeschlagene Behandlungsmodus an Patientinnen und Patienten ausprobiert wurde – mit beeindruckendem Erfolg: In fast allen Fällen konnte der untersuchte Krankheitserreger nach der sequentiellen Antibiotika-Behandlung stark reduziert werden; bei der Hälfte war er nicht mehr nachweisbar, und das Verfahren zeigte sich somit deutlich wirksamer als die Standardtherapie. Allerdings fand die Methode nie Eingang in den medizinischen Behandlungsalltag, weil eine Erklärung für den Therapieerfolg fehlte. „Wir sind überzeugt, dass wir mit unseren Ergebnissen zum zellulären Gedächtniseffekt die fehlende Erklärung nun gefunden haben“, betont Schulenburg. „Die neue Arbeit liefert ein weiteres Beispiel dafür, wie mit Hilfe von evolutionsbiologischen Konzepten und Methoden komplett neue Erkenntnisse für nachhaltige Therapieansätze gewonnen werden können“, fasst der KEC-Sprecher zusammen.
 
Originalarbeit:
Roderich Roemhild, Chaitanya S. Gokhale, Philipp Dirksen, Christopher Blake, Philipp Rosenstiel, Arne Traulsen, Dan I. Anderson, Hinrich Schulenburg (2018): Cellular hysteresis as a principle to maximize the efficacy of antibiotic therapy PNAS
DOI: 10.1073/pnas.1810004115
 
Bilder stehen zum Download bereit:
Kurze Vorbehandlung mit einem Penizillin erhöht die Wirksamkeit eines nachfolgenden Aminoglykosids. Gezeigt ist eine Verdünnungsreihe einer Bakterienprobe nach Ende der Behandlung, entweder ohne (3 Spalten links) oder mit Vorbehandlung (3 Spalten rechts).
© Christian Urban, Uni Kiel
 
Dr. Roderich Römhild untersuchte die Wirkung der sequentiellen Antibiotika-Gabe auf den Krankheitserreger Pseudomonas aeruginosa.
© Christian Urban, Uni Kiel

Antibiotikaresistenz bleibt dank des Gedächtniseffekts und sequentieller Therapie niedrig. Bakterien aus dem Evolutionsexperiment wachsen über einen Antibiotikagradienten, die Konzentrationen steigen von links nach rechts. Keime aus der sequentiellen Therapie sind unten im Bild und haben nicht die Fähigkeit entwickelt, bei hohen Antibiotikakonzentrationen zu wachsen – im Gegensatz zur oben gezeigten Kontrollgruppe.
© Christian Urban, Uni Kiel
 
Kontakt:
Prof. Hinrich Schulenburg
Sprecher „Kiel Evolution Center“ (KEC), CAU Kiel
Tel.:         0431-880-4141
E-Mail:    hschulenburg@zoologie.uni-kiel.de
 
Weitere Informationen:

Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik, Zoologisches Institut, CAU Kiel:

 Forschungszentrum „Kiel Evolution Center“, CAU Kiel:

Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Plön:

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Text: Christian Urban
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de, Internet: www.uni-kiel.de, Twitter: www.twitter.com/kieluni
Facebook: www.facebook.com/kieluni, Instagram: www.instagram.com/kieluni
 

 

 

Die ganz frühe Kindheit prägt die Bakteriengemeinschaft im Darm

12.09.2018

 

Eine internationale Studie mit Beteiligung des Exzellenzclusters Entzündungsforschung und des Sonderforschungsbereichs 1182 weist zum ersten Mal einen Faktor nach, der nur in einer kurzen Phase nach der Geburt aktiv ist und lebenslange Folgen hat.

Weiterlesen

 

Zusammenarbeit beim Nährstofferwerb

26.06.2018

Kieler Forschungsteam beschreibt erstmals fundamentale Mechanismen zur Steuerung der symbiotischen Beziehung von Algen und Nesseltieren 

Bei der Entwicklung des Lebens auf der Erde hat sich bereits vor Millionen von Jahren das Konzept der Symbiose als erfolgreiche Strategie entwickelt, mit der sich Lebewesen unterschiedlicher Arten als eng verbundene Gemeinschaften im Kampf ums Dasein erfolgreich behaupten können. Warum sie diese Partnerschaften eingehen, was ihr eigentlicher Vorteil ist und welche molekularen Mechanismen dafür wichtig sind, ist allerdings noch weitgehend unerforscht. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben nun gemeinsam mit japanischen Forschenden vom Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) und der Universität Okayama erstmals eine umfassende Charakterisierung symbiotischer Interaktionen am Beispiel der Kooperation des Süßwasserpolypen Hydra mit in seinem Zellinneren lebenden Chlorella-Algen vorgelegt. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der aktuellen Ausgabe des international renommierten Fachjournals eLife.

Um die grundlegenden Mechanismen dieser Symbiose zu untersuchen, konzentrierte sich das Forschungsteam auf die Stoffwechselbeziehungen zwischen Hydra und den sie besiedelnden Algen. Die Organismen leben in einer sogenannten photosynthetischen Symbiose: Die Algen stellen also ihrem Wirt bestimmte Stoffwechselprodukte zur Verfügung, die sie aus der Umwandlung von Sonnenenergie gewinnen. Im Gegenzug beziehen sie vom Süßwasserpolypen Nährstoffe, die sie selber nicht erschließen können. „Diese Form des Zusammenlebens von Nesseltieren und Algen bildet eine extreme Form der Symbiose, in der die Algen ohne ihren Wirt nicht mehr lebensfähig sind. Die symbiotischen Algen geben dabei sogar Teile der Erbinformation auf und nutzen stattdessen die entsprechenden Strukturen des Süßwasserpolypen“, beschreibt Professor Thomas Bosch, Zell- und Entwicklungsbiologe an der CAU und Sprecher des SFB 1182, die Tragweite der zwischenartlichen Abhängigkeit. Auch Hydra selbst ist stark abhängig von den Symbionten, da die Chlorella-Besiedlung ihren Reproduktionserfolg fördert und den Tieren daher ohne die Algen deutliche Fitness-Nachteile entstehen würden. 

„Unsere Ergebnisse zeigen zudem, welche konkreten Werkzeuge auf genetischer und molekularer Ebene notwendig sind, damit sich eine dauerhafte und stabile Symbiose im Laufe der Evolution herausbilden kann“, so Bosch weiter. Die Laboruntersuchungen ergaben zum einen, dass die Anwesenheit der Symbionten dazu führt, dass bestimmte für den Stoffwechsel verantwortliche Gene bei Hydra hochreguliert werden und so den Nährstofftransport zwischen Wirt und Symbiont begünstigen. Andererseits zeigte die Analyse der Algen-Gene, dass dem Symbionten die genetische Ausstattung fehlt, die zur Verwertung von Stickstoff notwendig ist und die Nährstoffversorgung daher zum Teil vom Wirt übernommen werden muss.

Insgesamt ist mit der nun vorgelegten Veröffentlichung eine der wichtigen Forschungsfragen der ersten Förderphase des SFB 1182 beantwortet: Ziel des damit verbundenen Teilprojekts war es, die treibenden Kräfte hinter der Ausbildung und dauerhaften Stabilität einer Symbiose zu identifizieren. Die Analyse der Interaktionen von Süßwasserpolypen und Algen verdeutlicht, dass die Entstehung der gegenseitigen existenziellen Abhängigkeit von Organismen vor allem von der Möglichkeit des gegenseitigen Nährstoffaustauschs und den damit verbundenen Vorteilen vorangetrieben wird. Die an relativ übersichtlichen Wechselwirkungen zwischen zwei einfach aufgebauten Lebewesen gewonnenen Erkenntnisse möchten die Forschenden in Kiel gemeinsam mit ihren internationalen Kolleginnen und Kollegen nun an komplexeren, multiorganismischen Interaktionsnetzen weiter vertiefen.

Das bessere Verständnis der symbiotischen Beziehungen von Nesseltieren und Algen ist über den reinen Erkenntnisgewinn hinaus auch als Modell für die Abschätzung der mit dem Klimawandel verbundenen Veränderungen von Meeresökosystemen relevant: Korallen sind zum Beispiel massiv von den Auswirkungen des globalen Wandels bedroht, da ein veränderter Nährstoffgehalt des Meereswassers ihre Fähigkeit zur Nahrungsaufnahme dramatisch beeinflusst. Von Gesundheit und Wachstum der Korallen hängen wiederum besonders umfangreiche, in den tropischen Korallenriffen angesiedelte Lebensgemeinschaften ab. Da Korallen ähnlich wie Süßwasserpolypen von bestimmten symbiotischen Bakterien für ihre Nährstoffaufnahme abhängig sind, ist eine genauere Kenntnis der zugrundeliegenden Mechanismen notwendig. Weiterführende Forschungsarbeiten müssen zeigen, ob das nun gewonnene Wissen auch auf die Symbiose von Korallen und Bakterien übertragbar ist und sich daraus künftig mögliche Anpassungsstrategien zum Schutz bedrohter tropischer Korallenriffe ableiten lassen.

Originalarbeit:
Mayuko Hamada, Katja Schröder, Jay Bathia, Ulrich Kürn, Sebastian Fraune, Mariia Khalturina, Konstantin Khalturin, Chuya Shinzato, Nori Satoh, Thomas C G Bosch (2018): Metabolic co-dependence drives the evolutionarily ancient Hydra-Chlorella symbiosis eLife
DOI 10.7554/eLife.35122 

Ein Bild steht zum Download bereit:
www.uni-kiel.de/fileadmin/user_upload/pressemitteilungen/2018/207-hydra-chlorella.jpg 
Mikroskopische Abbildung von Hydra-Epithelzellen (Zellkerne in grün), die jeweils etwa 20-30 symbiotische Chlorella-Algen enthalten (in orange). 
Abbildung: Jay Bathia

Kontakt:
Prof. Thomas Bosch
Zoologisches Institut, CAU Kiel
Tel.: 0431-880-4170
E-Mail: tbosch@zoologie.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Forschungsschwerpunkt „Kiel Life Science“, CAU Kiel
www.kls.uni-kiel.de

Sonderforschungsbereich 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“, CAU Kiel:
www.metaorganism-research.com


Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Text: Christian Urban 
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de, Internet: www.uni-kiel.de, Twitter: www.twitter.com/kieluni 
Facebook: www.facebook.com/kieluni, Instagram: www.instagram.com/kieluni

 

Krebsdiagnostik: Pinkeln statt Piksen?

25.05.2018

CAU-Forschungsteam schlägt vor, genetisches Material zu Forschungs- und Diagnosezwecken künftig aus Urin zu gewinnen

Urin ist eine alltägliche Flüssigkeit, der die meisten Menschen wenig Aufmerksamkeit schenken und die sie als eher unangenehm empfinden. Anders geht es einer Gruppe von klinischen Forscherinnen und Forschern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein (UKSH) und der Litauischen Universität für Gesundheitswissenschaften in Kaunas, die vom diagnostischen Potenzial der meist gelblichen Flüssigkeit überzeugt sind. Der Grund dafür ist das darin enthaltene genetische Material, das als sogenannte zellfreie DNA neue Möglichkeiten für die Krebsdiagnostik bietet. Aus einer Menge von 60 Millilitern Urin - ungefähr ein halber Urinbecher - konnten die Forschenden im Labor genau so viel genetisches Material gewinnen wie aus einer Blutprobe von zehn Millilitern. Dafür arbeitete das Forschungsteam an neuen Methoden, um die zellfreie DNA aus dem Urin zu entnehmen. Ihre nun vorliegenden Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden des Instituts für Klinische Molekularbiologie (IKMB) an der CAU gemeinsam mit den internationalen Kolleginnen und Kollegen heute in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift BioTechniques.

Der Begriff zellfreie DNA bezeichnet Bruchstücke von genetischen Informationen, die sich außerhalb von Zellen in verschiedenen Körperflüssigkeiten befinden. Diese DNA-Bestandteile entstehen, wenn Körperzellen aber auch Tumorzellen absterben. Sie werden zunächst in den Blutstrom freigesetzt und gelangen von dort unter anderem auch weiter in den Urin. Das Forschungsteam stieß zunächst auf eine Reihe von Problemen: So ist die Menge an DNA im Urin von Mensch zu Mensch sehr unterschiedlich und variiert sogar bei ein und derselben Person von Tag zu Tag stark. Aus diesem Grund waren die anfangs in den Proben enthaltenen DNA-Konzentrationen teilweise zu gering, so dass die Forschenden die jeweils gesammelten Urinmengen steigern mussten. Sie beobachteten zudem regelmäßig, dass der Urin von gesunden Frauen mehr als doppelt so viel von der für die Diagnose vielversprechenden zellfreien DNA enthält wie eine identische Menge bei gesunden Männern. Dieser Umstand muss bei der künftigen Krebsdiagnostik berücksichtigt werden, damit diese geschlechterspezifischen Unterschiede die Ergebnisse nicht verfälschen.

Bislang arbeiten Tests für die Krebsdiagnose meist mit Blutproben. Manche dieser Bluttests nutzen zellfreie DNA, die aus einem möglichen Tumor stammt, um etwa bestimmte Lungen- oder Darmkrebsarten zu erkennen. Ob das genetische Material aus dem Harn genauso gut für die klinische Forschung und Diagnostik geeignet ist wie Blut, möchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in den nächsten zwölf Monaten im Labor des IKMB an der Kieler Universität in weiterführenden Forschungsarbeiten klären. „Dazu werden wir anhand der vorliegenden Proben der Studienteilnehmenden am UKSH die genetischen Spuren eines Tumors im Blutplasma und Urin vergleichen und schauen, ob auf beiden Wegen ein Nachweis der Erkrankung möglich ist“, sagt Michael Forster, Wissenschaftler am Institut für Klinische Molekularbiologie der CAU.

Die Forschenden in Kiel hoffen, künftig ein auf Urin basierendes Verfahren zu entwickeln, das ebenso sichere Diagnosen zulässt wie herkömmliche Bluttests. Dies böte zunächst Vorteile für Patientinnen und Patienten, denen so die unangenehme Blutentnahme erspart bliebe. Zudem wäre ein solches Testverfahren schneller und weniger aufwändig als die bisherigen Methoden, da zum Beispiel anders als bei Bluttests kein medizinisches Personal bei der Probenentnahme erforderlich ist. „In den USA werden bereits ähnliche Testverfahren zur Krebsdiagnose kommerziell angeboten. Vor Kurzem stellte ein internationales Forschungsteam zudem einen neu entwickelten, noch nicht klinisch zugelassenen Urintest für bestimmte Harnwegstumore vor“, beschreibt Forster den aktuellen Entwicklungsstand. „Bis zur Einführung neuer klinischer Tests auf Urinbasis in Deutschland werden noch einige Jahre an klinischer Forschung sowie Kosten- und Nutzenabwägungen vergehen“, so der Molekulargenetiker weiter.

Diese nun folgenden Forschungsarbeiten sollen auch in Zusammenarbeit mit externen klinischen Forschungsgruppen im Rahmen des neuen Competence Centre for Genome Analysis Kiel (CCGA Kiel) stattfinden. Als eines von deutschlandweit vier zentralen Kompetenzzentren für Hochdurchsatzsequenzierungen wird es seit März 2018 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Die CAU begegnet so dem steigenden Bedarf an komplexen Genomanalysen in den Lebenswissenschaften als eines dieser neu geschaffenen spezialisierten Sequenzierungszentren für das gesamte Bundesgebiet.

Originalarbeit:
Greta Streleckiene, Hayley M Reid, Norbert Arnold, Dirk Bauerschlag, Michael Forster (2018): Quantifying cell free DNA in urine: comparison between commercial kits, impact of gender and inter-individual variation BioTechniques DOI: 10.2144/btn-2018-0003

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-165-1.jpg
Bildunterschrift: Das CAU-Forschungsteam möchte zur Krebsdiagnose künftig Urin statt Blut verwenden.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-165-2.jpg
Bildunterschrift: Der Leiter der Studie, Michael Forster, gemeinsam mit seinen Kolleginnen Regina Fredrik (links) und Nicole Braun vom Institut für Klinische Molekularbiologie an der CAU.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

Kontakt:
Michael Forster
Institut für Klinische Molekularbiologie, CAU Kiel
Tel.: 0431-500-15136
E-Mail: m.forster@ikmb.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Institut für Klinische Molekularbiologie, CAU Kiel
http://www.ikmb.uni-kiel.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de, Internet: ► www.uni-kiel.de
Twitter: ► www.twitter.com/kieluni, Facebook: ► www.facebook.com/kieluni, Instagram: ► www.instagram.com/kieluni
Text / Redaktion: ► Christian Urban

 

Was der Stoffwechsel über den Ursprung des Lebens verrät

07.05.2018

Kieler Botanikerin schlägt neue Theorie zur gleichzeitigen Evolution gegenläufiger Stoffwechselvorgänge vor

Was war zuerst da, die Henne oder das Ei? Das klassische Ursprungsdilemma gilt insbesondere für die Entwicklungsprozesse des Lebens auf der Erde. Grundlage der Evolution war ein gradueller Übergang vom Ablauf rein chemischer Reaktionen hin zur Fähigkeit erster Lebensformen, mit Hilfe von Enzymen über Stoffwechselvorgänge Kohlenstoff umzuwandeln. Dabei haben frühe Lebewesen schon bald verschiedene Strategien der Energiegewinnung und des Stoffumsatzes entwickelt. 

Grundsätzlich unterscheidet die Wissenschaft nach sogenannten heterotrophen und autotrophen Organismen: Die erste Gruppe, zu der zum Beispiel alle Tiere zählen, verwendet verschiedene organische Stoffe als Energiequellen. Ihre Stoffwechselvorgänge setzen unter anderem über die Atmung CO2 frei. Autotrophe Lebewesen hingegen nutzen als Grundlage ihres Stoffwechsels ausschließlich anorganische Kohlenstoffverbindungen. Diese Gruppe umfasst insbesondere alle Pflanzen, die Photosynthese betreiben und dabei CO2 binden, um aus Sonnenlicht Energie zu gewinnen.

In der Evolutionsforschung diskutieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit seit langem darüber, welche der beiden grundlegenden Stoffwechsel-Strategien sich zuerst entwickelte – Autotrophie oder Heterotrophie beziehungsweise Photosynthese oder Atmung. Dr. Kirstin Gutekunst, wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Arbeitsgruppe Physiologie und Biotechnologie der pflanzlichen Zelle am Botanischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), schlägt stattdessen vor, dass beide Entwicklungen möglicherweise gleichzeitig und parallel entstanden sind. Diese neuartige Theorie, die sie als „Hypothese zur synchronistischen Evolution der Autotrophie und Heterotrophie“ bezeichnet, stellt die Kieler Botanikerin nun in der Fachzeitschrift Trends in Biochemical Sciences zur Diskussion.

Gutekunst argumentiert wie folgt: Die Erde stellt hinsichtlich des Stoffumsatzes ein geschlossenes System dar. Die Menge an jeglicher irdischer Materie ist unveränderlich, sie wird lediglich kontinuierlich umgewandelt und neu zusammengesetzt. In einem solchen System muss es folglich ein Gleichgewicht geben, da sonst bestimmte Stoffe permanent abgebaut und andere dauerhaft angehäuft würden. Der logische Schluss daraus ist, dass zu jedem Stoffwechselvorgang eine entsprechende Umkehrung existieren muss - entweder im selben Organismus oder in zwei verschiedenen, diesbezüglich antagonistischen Lebewesen. Ein drittes Kernargument der neuen Hypothese besteht in der Tatsache, dass die wichtigsten Akteure des Stoffwechsels, die Enzyme, von sich aus in zwei Richtungen agieren können – also, dass demnach jede metabolische Reaktion auch eine Umkehrung in der entsprechenden Gegenreaktion besitzt. Stoffwechselprozesse insgesamt laufen also nicht linear, sondern in Kreisläufen ab und sind hinsichtlich einer globalen Stoffbilanz im Gleichgewicht.

„Der aktuelle wissenschaftliche Stand deutet darauf hin, dass Heterotrophie und Autotrophie nicht getrennt voneinander entstanden sein können. In einem geschlossenen System, dass durch eine stoffliche Balance gekennzeichnet ist, bedingen sich beide Stoffwechselvorgänge gegenseitig“, betont Kirstin Gutekunst. „So wie es weder zuerst das Ei noch zuerst die Henne gegeben haben kann, können auch heterotrophe und autotrophe Organismen nicht nacheinander entstanden sein“, so die Kieler Pflanzenforscherin weiter. Ein Beispiel für ein solches stoffliches Gleichgewicht geben die auch als Blaualgen bekannten Cyanobakterien: Sie vereinen die Stoffwechselvorgänge der Photosynthese und der Atmung in einem Organismus, zeigen also heterotrophe und autotrophe Eigenschaften zugleich. Diese Prozesse sind hier sogar besonders eng verknüpft und beruhen auf identischen molekularen Akteuren.

Die neue Theorie der Kieler Forscherin könnte somit einen Anstoß liefern, um die bestehende Auffassung vom Ursprung des Lebens auf der Erde künftig neu zu bewerten. Grundsätzlich lässt sich die Frage nach der Herkunft nur hypothetisch betrachten. Gutekunsts Theorie führt aber mit gewichtigen Indizien weg von dem Gedanken eines singulären Ursprungs, der im Kern auf einer eigentlich unwissenschaftlichen Schöpfungsidee beruht. Die vorgeschlagene synchronistische Hypothese schlägt dagegen eine Dualität schon zu Beginn der Evolution vor: Wenn auf der Wirkung von Enzymen beruhende Stoffwechselprozesse als Charakteristikum des Lebens gelten, dann muss es zu allen Reaktionen auch eine Gegenreaktion geben. Eine solche Evolution kann demnach nur gleichzeitig begonnen und von dort aus eine parallele Entwicklung genommen haben. Gutekunsts These ist somit ein starkes Argument gegen die Annahme eines singulären Entstehens der Auto- oder Heterotrophie.

Die vorgelegte Arbeit ist als Teil der Pflanzenforschung im Rahmen des Forschungsschwerpunkts „Kiel Life Science“ an der CAU entstanden. Aktuell sind die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus diesem Bereich bestrebt, sich stärker untereinander zu vernetzen und den gegenseitigen Austausch zu fördern. In diesem Zusammenhang bereiten sie gemeinsam mit Partnerinstitutionen in der Region die Bildung eines eigenständigen, interdisziplinären Zentrums für Pflanzenforschung an der CAU vor.

Originalarbeit:
Kirstin Gutekunst (2018): Hypothesis on the Synchronistic Evolution of Autotrophy and Heterotrophy Trends in Biochemical Sciences
doi.org/10.1016/j.tibs.2018.03.008

Bildmaterial steht zum Download bereit:
www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-134-1.jpg 
Bildunterschrift: Die Hypothese zur synchronistischen Evolution von Autotrophie und Heterotrophie geht davon aus, dass die gegenläufigen Prozesse zeitgleich entstanden sein müssen. 
Abbildung: Dr. Kirstin Gutekunst

Kontakt:
Dr. Kirstin Gutekunst
Physiologie und Biotechnologie der pflanzlichen Zelle,
Botanisches Institut und Botanischer Garten, CAU Kiel
Tel.:         0431-880-4237
E-Mail:     kgutekunst@bot.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Physiologie und Biotechnologie der pflanzlichen Zelle,
Botanisches Institut und Botanischer Garten, CAU Kiel
www.biotechnologie.uni-kiel.de

Forschungsschwerpunkt „Kiel Life Science“, CAU Kiel
www.kls.uni-kiel.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Text: Christian Urban
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de, Internet: www.uni-kiel.de
Twitter: www.twitter.com/kieluni, Facebook: www.facebook.com/kieluni

 

Die Eroberung der Extreme

Urheberhinweis: ESO/G. Beccari, License: CC BY 4.0, www.eso.org/public/images/eso1723a/

04.05.2018

Wie Mikroorganismen vielzellige Lebewesen bei der Besiedlung lebensfeindlicher Umgebungen unterstützen

Von heißen und nährstoffarmen Wüsten über abwechselnd trockene und wasserbedeckte Gezeitenzonen bis hin zu höchstem Wasserdruck und permanenter Dunkelheit in der Tiefsee: Das Leben hat im Laufe seiner Entwicklung über Millionen von Jahren auch die extremsten Standorte der Erde erobert. Dass Termiten von eigentlich unverdaulichem Holz leben, Pflanzen in Wüsten scheinbar ohne Wasser und Nahrung existieren oder Seeanemonen in Gezeitenzonen den ständigen Wechsel einer wasserbedeckten und trockenen Umgebung verkraften können, hängt offenbar auch von der engen Zusammenarbeit mit ihren bakteriellen Symbionten ab. Lebenswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler weltweit erforschen aktuell, in welcher Form das symbiotische Zusammenwirken von Mikroorganismen und Wirten in der funktionalen Einheit eines Metaorganismus die Besiedlung solch extremer Lebensräume unterstützt. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat nun eine Bestandsaufnahme der Mechanismen vorgelegt, mit der die Interaktionen von Wirten und Symbionten das Leben unter extremen Umweltbedingungen fördern oder überhaupt erst möglich machen. Die Forschenden beschreiben gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der saudi-arabischen König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie (KAUST) in der Fachzeitschrift Zoology nun erstmals umfangreich, wie Mikroorganismen das Wachstum und die evolutionäre Fitness verschiedener Lebewesen an extremen Standorten fördern können.

Ein wichtiger Faktor bei der Reaktion auf veränderliche Lebensbedingungen ist die Zeit. Ändert sich die Umwelt an einem Standort sehr schnell, etwa durch drastische Wechsel der physischen und chemischen Bedingungen wie Licht- oder Sauerstoffverfügbarkeit, fällt insbesondere höherentwickelten vielzelligen Lebewesen die Anpassung schwer. Zu langsam ist ihre Fähigkeit zur Veränderung, denn der dafür nötige genetische Wandel vollzieht sich erst im Laufe von mehreren Generationen. „Hier können Mikroorganismen ihren Wirtslebewesen einen Vorteil verschaffen“, betont Professor Thomas Bosch, Zell- und Entwicklungsbiologe an der CAU und Sprecher des SFB 1182. „Bei Bakterien laufen die evolutionären Prozesse beispielsweise viel rascher ab. Die Fähigkeit, deutlich schneller auf Umweltveränderungen zu reagieren, können sie zum Teil auf ihre Wirte übertragen und sie so bei der Anpassung unterstützen“, so Bosch weiter. 

Der Mangel an Nahrungsquellen oder die fehlende Möglichkeit, verfügbare Nährstoffe tatsächlich zu nutzen, begrenzen die zur Verfügung stehenden Lebensräume zusätzlich. Die Stoffwechselvorgänge vieler Organismen sind auf ein bestimmtes Optimum der Lebensbedingungen eingestellt und kommen in extremen Bereichen an ihre Grenzen. Auch hier sind es oft die symbiotischen Beziehungen mit Bakterien, die es Pflanzen und Tieren ermöglichen, das Funktionieren des eigenen Stoffwechsels zu erweitern. So können verschiedene Lebewesen zum Beispiel Nährstoffe mit ihren bakteriellen Partnern austauschen und so Nahrungsquellen erschließen, die ihr Stoffwechsel sonst nicht verarbeiten könnte. 

Bestimmte symbiotische Bakterien, die das Wurzelwerk von Pflanzen besiedeln, helfen ihnen an trockenen und nährstoffarmen Standorten beispielsweise dabei, Stickstoff und andere Mineralien aufzunehmen. Andere Bakterien unterstützen das Pflanzenwachstum, indem sie ihre Toleranz gegenüber salzhaltigen Böden erhöhen. In Zukunft werden sich Forschende darauf konzentrieren, solche hilfreichen Bakterienkulturen auf ihre Anwendbarkeit bei Nutzpflanzen hin zu untersuchen. Möglicherweise hilft ein besseres Verständnis des pflanzlichen Metaorganismus dabei, künftig auch in bisher nicht nutzbaren Wüsten Ackerbau zu betreiben.

Mikrobielle Symbionten erlauben es verschiedenen Lebewesen zudem, eine ausgeprägte Toleranz gegenüber einer schnell veränderlichen Umwelt zu entwickeln: Ortsfeste Nesseltiere in den Gezeitenzonen verschiedener Meere können sich zum Beispiel rasch an den extremen Wechsel ihrer Lebensbedingungen anpassen, weil sich auch die Zusammensetzung ihrer Bakterienbesiedlung abrupt verändern kann. Dahinter stehen Mechanismen, wie der direkte Austausch genetischer Informationen zwischen verschiedenen Bakterienarten, die das Ausscheiden oder die Aufnahme spezifischer Bakterienarten in den Metaorganismus steuern. „Bei den Seeanemonen wechselt ihre Bakterienbesiedlung in Anpassung an die jeweils herrschenden Standortbedingungen“, unterstreicht Dr. Sebastian Fraune, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Zoologischen Institut der CAU. „Diese flexible Bakterienausstattung können die Tiere möglicherweise speichern und bei einer Veränderung ihres Lebensraums erneut abrufen, um mit den neuen Bedingungen zurechtzukommen“, betont Fraune.

Aus der Erforschung dieser bakteriell gesteuerten Anpassungsfähigkeit an schnell veränderliche Umweltbedingungen lassen sich möglicherweise in Zukunft auch Rückschlüsse auf die Auswirkungen des Klimawandels auf Organismen und Ökosysteme oder gar Anpassungsstrategien ableiten.
Weitere Forschungsarbeiten werden klären, wie Gesundheit und Fitness eines Metaorganismus von der Wandelbarkeit seiner einzelnen Partner abhängt und welche Effekte die Veränderung einzelner Elemente dieses komplexen Gefüges hervorrufen. Die nun vorliegenden Erkenntnisse unterstreichen so, welche fundamentale Rolle die Erforschung der multiorganismischen Beziehungen von Wirten und Mikroorganismen besonders auch für das Verständnis des Lebens in einer veränderlichen und extremen Umwelt spielt.


Originalarbeit:
Corinna Bang, Tal Dagan, Peter Deines, Nicole Dubilier, Wolfgang J. Duschl, Sebastian Fraune, Ute Hentschel, Heribert Hirt, Nils Hülter, Tim Lachnit, Devani Picazo, Lucia Pita, Claudia Pogoreutz, Nils Rädecker, Maged M. Saad, Ruth A. Schmitz, Hinrich Schulenburg, Christian R. Voolstra, Nancy Weiland-Bräuer, Maren Ziegler, Thomas C.G. Bosch (2018): Metaorganisms in extreme environments: do microbes play a role in organismal adaptation? Zoology doi.org/10.1016/j.zool.2018.02.004

Ein Bild steht zum Download bereit:
www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-131-1.jpg 
Seine Mikrobenbesiedlung kann einem Wirtslebewesen dabei helfen, unter extremen Umweltbedingungen zu existieren. Das Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse könnte künftig sogar dabei helfen, Lebensspuren auf erdähnlichen Planeten zu finden. Das Foto zeigt den Orionnebel, aufgenommen vom VLT Survey Telescope des European Southern Observatory (ESO).

Urheberhinweis: ESO/G. Beccari, License: CC BY 4.0, www.eso.org/public/images/eso1723a/ 


Kontakt:
Prof. Thomas Bosch
Zoologisches Institut, CAU Kiel
Tel.: 0431-880-4170
E-Mail: tbosch@zoologie.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Sonderforschungsbereich 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“, CAU Kiel:
www.metaorganism-research.com

KAUST-Pressetext zum „Metaorganism Frontier Research Workshop“:
www.kaust.edu.sa/en/news/exploring-the-metaorganism-frontier


Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Text: Christian Urban 
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de, Internet: www.uni-kiel.de, Twitter: www.twitter.com/kieluni 
Facebook: www.facebook.com/kieluni, Instagram: www.instagram.com/kieluni

 

Verbesserte Wirkstoffkombinationen gegen die Antibiotikakrise

03.05.2018

Kieler Forschungsteam untersucht erstmals systematisch, wie sich vorhandene Antibiotika am wirkungsvollsten kombinieren lassen

Antibiotika-resistente Krankheitskeime könnten sich laut Aussage der Weltgesundheitsorganisation WHO innerhalb weniger Jahre zu einer der dramatischsten Gefahren für die öffentliche Gesundheit entwickeln. Während das Arsenal an wirksamen antibakteriellen Medikamenten weiter schrumpft, geht die Entwicklung neuer Wirkstoffe nur schleppend voran. Zudem kann die schnelle Evolution von Antibiotika-Resistenzen auch neue Medikamente innerhalb kurzer Zeit wirkungslos werden lassen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hoffen in dieser bedrohlichen Situation, die Wirksamkeit der vorhandenen Antibiotika durch die gezielte Kombination bestimmter Wirkstoffeigenschaften erhalten und verbessern zu können. Ein internationales Forschungsteam um die Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) legt nun erstmals eine systematische, experimentelle Analyse vor, die die Wirksamkeit verschiedener Antibiotika-Kombinationen gegen den Krankheitserreger Pseudomonas aeruginosa beschreibt. Dabei fanden die Forschenden heraus, dass bestimmte Eigenschaften einer Antibiotika-Kombination entscheidend für die Effizienz der Behandlung sind. Ihr neuartiges Modell zur „Wirksamkeit von Antibiotikakombinationen“ (Englisch: „ACE – Antibiotic Combination Efficacy“) veröffentlichten die Forschenden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift PLOS Biology.

Um die Auswirkungen auf den Krankheitserreger zu untersuchen, führte Dr. Camilo Barbosa, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik an der CAU, Evolutionsexperimente mit 39 Kombinationen von zwölf verschiedenen Wirkstoffen durch. Bis zu zehn Tage setzte er die Bakterien den verschiedenen Medikamentenpaaren aus und beobachtete das Wachstum der Bakterienkulturen und mögliche Resistenzbildungen im Verlauf der Zeit. In insgesamt 1600 einzelnen Evolutionsexperimenten konnte er so systematisch die Wirkung der Medikamentenkombinationen auf die Bakterien und die dabei stattfindenden Interaktionen zwischen den Wirkstoffen dokumentieren. Anschließend wendete er eine Kombination verschiedener statistischer Verfahren an, um die evolutionäre Anpassungsfähigkeit der Keime – das wichtigste Hindernis für den Erfolg herkömmlicher Kombinationstherapien – auch theoretisch vorhersagen zu können.

Auf diesem Wege konnte Barbosa gemeinsam mit seinen Kollegen zwei Hauptfaktoren identifizieren, die für eine verbesserte Wirksamkeit der Kombinationstherapie ausschlaggebend sind: Einerseits erwiesen sich sogenannte synergistische Effekte zwischen den Wirkstoffen als vielversprechend, da sie gegenseitig ihre Wirkung verstärken und so für eine gesteigerte Ausrottung des Krankheitserregers sorgen. Zusätzlich ist die Nutzung der sogenannten kollateralen Sensitivität von Vorteil, bei der die Abwehr des Bakteriums gegen einen Wirkstoff es zugleich empfindlich für das zweite Medikament macht. Dieses Phänomen hatte Barbosa gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen erst kürzlich in einer Vorgängerarbeit genauer beschrieben. Eine Antibiotika-Paarung, die eine synergistische Wirkung mit dem Effekt der kollateralen Sensitivität vereint, ist demnach am effektivsten und verspricht den größten Behandlungserfolg: Im Labor ließen sich die Bakterien so am besten dezimieren, während sie zugleich eine drastisch reduzierte Resistenzbildung zeigten.

„Mit dem ACE-Modell beschreiben wir erstmals einen vielversprechenden Weg, um die Eigenschaften von Medikamentenpaaren besonders wirkungsvoll zu kombinieren. So wollen wir dabei helfen, die Bekämpfung bakterieller Infektionen künftig gezielter und nachhaltiger zu gestalten“, betont Professor Hinrich Schulenburg, Leiter der Arbeitsgruppe und Sprecher des Kiel Evolution Center (KEC). Die jetzt vorgelegte Studie zeige zudem erneut, dass ein erfolgreicher Kampf gegen Antibiotikaresistenzen nur gelingen könne, wenn die zugrundeliegenden evolutionären Prinzipien in die Behandlungsstrategie einbezogen würden, so Schulenburg weiter.

In den Experimenten mit Pseudomonas aeruginosa zeigten sich diese positiven Effekte am deutlichsten bei der Kombination von Antibiotika der Wirkstoffklassen der Penicilline und Aminoglykoside. In den Laboruntersuchungen bewiesen sie eine ausgeprägte gegenseitige Verstärkung ihrer Wirkung auf den Keim, während die kombinierte Anwendung die Resistenzbildung des Keims hemmte. So konnte das Kieler Forschungsteam aufzeigen, wie sich durch eine optimierte Wirkstoffkombination zugleich der Bakterienbefall und die Wahrscheinlichkeit der Resistenzbildung im Falle einer Infektion drastisch mindern lassen. In weiteren Forschungsarbeiten wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun klären, ob diese beiden für den Behandlungserfolg entscheidenden Faktoren auch auf andere Krankheitserreger und insbesondere die Behandlung von Menschen übertragbar sind. Langfristiges Ziel der Forschenden des KEC ist es, alternative und nachhaltige Strategien für den klinischen Behandlungsalltag zu entwickeln und so mögliche Wege aus der Antibiotikakrise aufzuzeigen.

Originalarbeit:
Camilo Barbosa, Robert Beardmore, Hinrich Schulenburg* and Gunther Jansen* (2018): Antibiotic combination efficacy (ACE) networks for a Pseudomonas aeruginosa model PLOS Biology * Shared senior authorship. DOI:10.1371/journal.pbio.2004356

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:
www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-127-1.jpg
Bildunterschrift: Am Beispiel des Krankheitserregers Pseudomonas aeruginosa entwickelte Dr. Camilo Barbosa ein Modell zur Optimierung von Antibiotika-Kombinationen.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-127-2.jpg
Bildunterschrift: Im Labor konfrontierte das Forschungsteam den Krankheitskeim mit 39 verschiedenen antibiotischen Wirkstoffkombinationen.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-127-3.jpg
Bildunterschrift: Die Kieler Forschenden untersuchten die Wirkung der Medikamentenpaare auf das Bakterienwachstum und die Resistenzbildung des Keims.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

Kontakt:
Prof. Hinrich Schulenburg
Sprecher „Kiel Evolution Center“ (KEC), CAU Kiel
Tel.: 0431-880-4141
E-Mail: hschulenburg@zoologie.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik, Zoologisches Institut, CAU Kiel
www.uni-kiel.de/zoologie/evoecogen

Forschungszentrum „Kiel Evolution Center“, CAU Kiel:
www.kec.uni-kiel.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de, Internet: ► www.uni-kiel.de
Twitter: ► www.twitter.com/kieluni, Facebook: ► www.facebook.com/kieluni, Instagram: ► www.instagram.com/kieluni
Text / Redaktion: ► Christian Urban

 

Zeitreise in die Evolution von Bakteriophagen der Milchsäurebakterien

23.03.2018

Kieler Forschungsteam beschreibt erstmals die Geschwindigkeit der evolutionären Anpassungen von Bakteriophagen an Bakterienkulturen

In der Molkereiwirtschaft kommen gezielt Milchsäurebakterien zum Einsatz, um die Milchsäuregärung zur Herstellung von Milchprodukten wie Käse, Joghurt oder Butter in Gang zu setzen. Diese als sogenannte Starterkulturen industriell genutzten Bakterienkulturen werden aber häufig von bakterienspezifischen Viren infiziert, den sogenannten Bakteriophagen oder kurz Phagen. Befallen sie die Milchsäurebakterien, kann es zu einer Störung des Fermentationsprozesses oder sogar zum Zusammenbruch der gesamten Bakterienkultur kommen. Für die wirtschaftliche Nutzung ist es also von entscheidender Bedeutung, das Zusammenspiel von Phagen und Bakterienkulturen genauer zu verstehen, um diese unerwünschten Effekte besser kontrollieren zu können. In diesem Zusammenhang hat die Arbeitsgruppe Genomische Mikrobiologie am Institut für Allgemeine Mikrobiologie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gemeinsam mit dem Kieler Institut für Mikrobiologie und Biotechnologie am Max Rubner-Institut (MRI) die genetischen Mechanismen der Evolution von Phagen aus einer Molkerei untersucht. Dazu konnten sie auf die umfangreiche Phagensammlung des MRI zurückgreifen, in der die Phagen aus einer über rund 30 Jahre kontinuierlich genutzten Milchsäurebakterien-Kultur (Lactococcus lactis) eines Betriebes tiefgefroren gelagert wurden. Die Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchten nun erstmals, wie schnell und auf welchen Wegen sich die genetischen Eigenschaften von Phagen der Familie Siphoviridae in Anpassung an ihre bakteriellen Wirte über einen langen Zeitraum verändern. Die neuen Erkenntnisse veröffentlichte das Forschungsteam jüngst in der Fachzeitschrift Molecular Biology and Evolution.

Um Infektionen der zur Fermentation der Milch eingesetzten Bakterienkulturen mit Phagen zu vermeiden, führen Molkereien gezielt umfangreiche Phagenkontrollmaßnahmen durch, zum Beispiel Reinigungs- und Desinfektionsschritte. Trotzdem können Phageninfektionen im Produktionsablauf nicht immer vermieden werden. „Welche Interaktionen zwischen Bakterien und Phagen während der Fermentation ablaufen und welche Prozesse Phageninfektionen möglicherweise begünstigen oder unterbinden, wird am MRI und in anderen Laboren weltweit untersucht. Dank unserer langjährigen Probenreihen haben wir uns nun gewissermaßen auf eine Zeitreise begeben und die Effekte von fast drei Jahrzehnten gegenseitiger Anpassungen von Phagen und Bakterien auf die Evolution von genetischen Elementen der Phagen untersucht“, betont Dr. Horst Neve, Leiter der Arbeitsgruppe „Bakteriophagen und Elektronenmikroskopie“ am MRI in Kiel.

Um diesen langjährigen Prozess nachzuvollziehen und die damit verbundenen Veränderungen der Phagen identifizieren zu können, entschlüsselte das Kieler Forschungsteam die gesamten genetischen Informationen von 34 Siphoviridae-Phagen über den Verlauf von fast 30 Jahren. Dabei machten sie zwei wichtige Beobachtungen, die Rückschlüsse auf die Evolution der Phagen zuließen: Besonders der sogenannte horizontale Gentransfer, also der Austausch von genetischen Informationen zwischen verschiedenen Organismen, findet zwischen Phagen demnach besonders intensiv statt. Dabei fanden die Forschenden Bereiche in den Erbinformationen, die sich kaum änderten, während an anderen Stellen starke Variabilität herrschte. In den besonders variablen Abschnitten liegen Gene, die für die Interaktion zwischen Phagen und Bakterien verantwortlich sind und damit einem besonders hohen Selektionsdruck ausgesetzt sind. „Der umfangreiche Austausch genetischer Informationen zwischen Phagen erhöht auch die Wahrscheinlichkeit, dass es ihnen gelingt, die mit ihnen assoziierten Bakterien zu infizieren“, betont Erstautorin Dr. Anne Kupczok, die als wissenschaftliche Mitarbeiterin in Professorin Tal Dagans Arbeitsgruppe Genomische Mikrobiologie an der CAU forscht.

Der zweite auffällige Aspekt lag in der Geschwindigkeit, mit der sich einzelne Bestandteile der genetischen Informationen im Laufe der Evolution zufällig verändern. Diese sogenannte absolute Substitutionsrate ist bei den Phagen deutlich schneller als bei Bakterien: Sie können sich also in kürzerer Zeit an veränderte Bedingungen anpassen als ihre bakteriellen Wirte. Dadurch, dass sie schneller evolvieren, erlangen sie möglicherweise einen Vorteil, der ihnen die Infektion der Bakterienkulturen erleichtert.

Die nun vorliegende Studie bildet damit eine wichtige Grundlage, um die Auswirkung der Evolution auf das Zusammenspiel von Phagen mit industriell genutzten Bakterienkulturen besser bestimmen zu können. „Wir hoffen, daraus künftig möglicherweise neue Strategien abzuleiten, um unter anderem die unerwünschten Effekte von Phageninfektionen in der Milchwirtschaft zielgerichteter einzudämmen“, zeigt sich PD Dr. Charles Franz, Leiter des MRI-Instituts für Mikrobiologie und Biotechnologie in Kiel, zuversichtlich. Die Ergebnisse des Forschungsteams unterstreichen zudem den besonderen Wert langfristig angelegter Evolutionsstudien: Ähnlich wie beispielsweise im Langzeit-Evolutionsexperiment mit Escherichia coli-Bakterien (englisch: E. coli long-term evolution experiment, LTEE) des US-amerikanischen Evolutionsbiologen Professor Richard Lenski konnten die Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die evolutionären Veränderungen eines Modellorganismus hinsichtlich der Genetik und des Erscheinungsbildes über mehrere Jahrzehnte dokumentieren. Sie konnten so umfangreiche Einblicke in den Ablauf evolutionärer Prozesse erlangen.

Originalarbeit:
Anne Kupczok, Horst Neve, Kun D, Huang, Marc P Hoeppner, Knut J Heller, Charles M A P Franz and Tal Dagan, 2018: Rates of mutation and recombination in Siphoviridae phage genome evolution over three decades Molecular Biology and Evolution Published on February 22, 2018.
doi:10.1093/molbev/msy027 (Open Access)

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:
www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-072-1.jpg
Bildunterschrift: Elektronenmikroskopische Aufnahmen (A) von Bakteriophagen der Milchsäurebakterien, (B) eines einzelnen Phagen nach der Anheftung (Adsorption) an die Zelloberfläche eines Milchsäurebakteriums und (C) von der beginnenden Zerstörung der Bakterienzellen durch die Phagen.
Abbildung: Dr. Horst Neve, Max Rubner-Institut

Kontakt:
Dr. Anne Kupczok
Genomische Mikrobiologie
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-5713
E-Mail:akupczok@ifam.uni-kiel.de

Prof. Tal Dagan
Genomische Mikrobiologie
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-5712
E-Mail:tdagan@ifam.uni-kiel.de

Dr. Horst Neve
Institut für Mikrobiologie und Biotechnologie
Max Rubner-Institut,
Bundesforschungsinstitut für Ernährung und Lebensmittel
Tel.: 0431 609-2343
E-Mail:horst.neve@mri.bund.de

PD Dr. Charles Franz
Institutsleiter
Institut für Mikrobiologie und Biotechnologie
Max Rubner-Institut,
Bundesforschungsinstitut für Ernährung und Lebensmittel
Tel.: 0431 609-2340
E-Mail:charles.franz@mri.bund.de

Weitere Informationen:
Genomische Mikrobiologie (AG Dagan),
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU Kiel:
www.mikrobio.uni-kiel.de/de/ag-dagan

Max Rubner-Institut, Bundesforschungsinstitut für Ernährung und Lebensmittel
Institut für Mikrobiologie und Biotechnologie
www.mri.bund.de/de/institute/mikrobiologie-und-biotechnologie/

The E. coli Long-term Experimental Evolution Project
Professor Richard E. Lenski, Michigan State University
myxo.css.msu.edu/ecoli/

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de, Internet: ► www.uni-kiel.de
Twitter: ► www.twitter.com/kieluni, Facebook: ► www.facebook.com/kieluni, Instagram: ► www.instagram.com/kieluni
Text / Redaktion: ► Christian Urban

 

Selbst oder Nicht-Selbst?

23.02.2018

Warum das Zusammenspiel von Körper und Mikroorganismen nach einer Neudefinition des Individuums verlangt
 
Das Individuum steht gleichbedeutend mit der menschlichen Persönlichkeit, ist die kleinste Einheit gesellschaftlicher Strukturen und zentraler Begriff der Existenz. Um dieses für das menschliche Selbstverständnis fundamentale „Ich“ naturwissenschaftlich zu definieren, formuliert die Biologie klassischerweise drei Erklärungsansätze, mit denen sich das menschliche Individuum klar von seiner belebten Umgebung abgrenzen lässt: Sein Immunsystem, sein Gehirn und seine Erbinformationen machen den Menschen demnach einzigartig und von anderen Lebewesen unterscheidbar. Im Lichte des neuen wissenschaftlichen Feldes der Metaorganismus-Forschung, dessen Gegenstand das Zusammenspiel des Organismus mit seinen mikrobiellen Symbionten ist, kommt dieses menschliche Selbstverständnis eines individuellen, klar abgrenzbaren Ichs allerdings an seine Grenzen. Ein interdisziplinäres Team von Forschenden aus Biologie und Anthropologie hat nun im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) in einem gemeinsamen Essay formuliert, wieso das in den Lebenswissenschaften inzwischen allgemein anerkannte Metaorganismus-Konzept nach einer Neudefinition des Ichs verlangt. Ihren richtungsweisenden Artikel veröffentlichten Tobias Rees, Professor für Anthropologie an der McGill University und Direktor am Berggruen Institute in Los Angeles, Professor Thomas Bosch, Sprecher des Kieler SFB 1182 und Angela Douglas, Professorin für Molekularbiologie und Genetik an der Cornell University, am Donnerstag, 22. Februar, in der Fachzeitschrift PLOS Biology.
 
Grundlage ihrer These ist die inzwischen gesicherte wissenschaftliche Erkenntnis, dass der menschliche Körper keine in sich geschlossene Einheit darstellt. Stattdessen ist sowohl die Entwicklung als auch das Funktionieren des menschlichen Organismus von einem dynamischen und interaktiven Zusammenwirken menschlicher und bakterieller Zellen abhängig – also einer Balance des sogenannten Metaorganismus, der sich aus Mensch und Mikroorganismen zusammensetzt. Der Anteil der bakteriellen Zellen liegt in diesem System bei etwa 50 Prozent.
 
Dieser hohe Grad der Durchdringung von menschlichem und bakteriellem Leben ist der Grund, dass die Wissenschaft viele biologische Prozesse angesichts dieser multiorganismischen Beziehungen neu betrachten muss. „Von der Funktion der Organe, über den Ablauf des Stoffwechsels bis hin zum Schutz vor Infektionskrankheiten zwingen uns diese neuen Erkenntnisse dazu, alle Lebensprozesse in unserem Körper als Zusammenwirken von Mensch und Mikroorganismen neu zu erforschen und zu verstehen“, betont der Zell- und Entwicklungsbiologe Bosch.
 
Aus diesem Grund müssen auch die klassischen biologischen Referenzsysteme des Individuums – das Immunsystem, das Gehirn und die Erbinformationen – neu bewertet werden. Das menschliche Ich anhand des Immunsystems zu definieren, liegt unter anderem an dessen Funktion, den Körper gegen schädliche Einflüsse von außen zu schützen. Es muss also gewissermaßen auf molekularer Ebene zwischen Selbst und Nicht-Selbst unterscheiden können. So entsteht eine scharfe Trennlinie zwischen menschlichem und nicht-menschlichem Organismus, etwa bei der Erkennung und Abwehr von Krankheitserregern. Allerdings ist heute klar, dass Bakterien essentielle Komponenten des Immunsystems sind: Das, was traditionell als Teil des menschlichen Selbst betrachtet wurde, ist also stattdessen zu großen Teilen bakteriellen Ursprungs, also Nicht-Selbst.
 
Ähnlich ist es mit der klassischen Interpretation des Gehirns als Sitz zentraler menschlicher Züge wie der Persönlichkeit, der Selbsterkenntnis oder den Emotionen: Die bakteriellen Besiedler des Körpers kommunizieren mit dem Nervensystem und nehmen so direkt oder indirekt Einfluss auf kognitive Prozesse, das Sozialverhalten und die Psyche. Wie das Gehirn das menschliche Individuum prägt, ist also ebenfalls untrennbar mit der engen Verflechtung von Organismus und Bakterien verbunden.
 
Das menschliche Genom, also die Gesamtheit der Erbinformationen, gilt als unveränderlich und einzigartig bei jedem Menschen. Allerdings hat sich herausgestellt, dass mikrobielle Gene einen großen Anteil an der Ausprägung menschlicher Eigenschaften haben. Da die Bakterienbesiedlung des Körpers nicht statisch ist, verhält sich auch das mikrobielle Genom im Gegensatz zum menschlichen hochgradig variabel. Seine Eigenschaften können sich also im Laufe der Zeit grundlegend ändern und tragen in ihrer Variabilität zur genetischen Ausstattung des Körpers bei. „Bakterien beeinflussen damit nicht nur die menschlichen Erbinformationen, sie machen sie zu einem großen Teil aus“, betont Rees. Die Definition des menschlichen Individuums anhand einer festen genetischen Ausstattung sei also ebenfalls überholt, so Rees weiter.
 
Im größeren Zusammenhang betrachtet fordert dieses Neudenken des menschlichen Individuums auch die Grenzen klassischer wissenschaftlicher Disziplinen heraus. Da sich die Bereiche des Menschlichen und des Nicht-Menschlichen nicht mehr klar abgrenzen lassen, ist zum Beispiel die jahrhundertealte Trennung von Kultur- und Naturwissenschaften infrage gestellt. „Mit dem Zeitalter der Metaorganismus-Forschung ist also nicht nur ein Umbruch in den Lebenswissenschaften verbunden“, hebt Rees hervor. „Vielmehr ist die Metaorganismus-Forschung eine Einladung an die Geisteswissenschaften den Menschen nach der Natur-Mensch Trennung neu denken zu lernen. Und das heisst, menschliche Bereiche wie Kunst oder Technik und Poesie neu denken zu lernen“, so Rees weiter. Das neue Forschungsfeld zeige auch, wie sich mit einem immer genaueren Verständnis der genetischen und molekularen Prozesse des Lebens auch die Wissenschaft insgesamt neu definiere, ergänzt Bosch, der gemeinsam mit Rees Teil des interdisziplinären Forschungsprogramms „Der Mensch und das Mikrobiom“ (Englisch: „Humans and the Microbiome“) am Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR) ist.
 
Originalarbeit:
Tobias Rees, Thomas Bosch, Angela E. Douglas (2018): How the microbiome challenges our concept of self. PLOS Biology
dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.2005358 
 
Ein Bild steht zum Download bereit:
www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-045-1.jpg
Bildunterschrift: Die traditionelle Entkoppelung des Menschen von der Natur, wie sie zum Beispiel Caspar David Friedrich zu Beginn des 19. Jahrhunderts malte, ist in der Ära des Metaorganismus infrage gestellt: Die Interaktionen von Körper und Mikroorganismen definieren das menschliche Selbst.
Urheberhinweis: Caspar David Friedrich, Caspar David Friedrich - Der Wanderer über dem Nebelmeer, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons  


Kontakt:
Prof. Thomas Bosch
Zoologisches Institut, CAU Kiel
Tel.: 0431-880-4170
E-Mail: tbosch@zoologie.uni-kiel.de
 
Weitere Informationen:
Forschungsschwerpunkt „Kiel Life Science“, CAU Kiel
www.kls.uni-kiel.de
 
Sonderforschungsbereich 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“, CAU Kiel:
www.metaorganism-research.com
 
Zell- und Entwicklungsbiologie (AG Bosch),
Zoologisches Institut, CAU Kiel:
www.bosch.zoologie.uni-kiel.de
 
Research Program „Humans & the Microbiome“,
Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR):
www.cifar.ca/research/humans-the-microbiome
 
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Text: Christian Urban
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de, Internet: www.uni-kiel.de, Twitter: www.twitter.com/kieluni
Facebook: www.facebook.com/kieluni, Instagram: www.instagram.com/kieluni
 

 

Schimmelpilze bilden pflanzliches Wachstumshormon

12.02.2018

Kieler Forschungsteam beschreibt erstmals Mechanismen der Auxinbildung beim Schimmelpilz Neurospora crassa

Pflanzen, Bakterien und verschiedene Pilze bilden eine bestimmte Gruppe von Hormonen, die als Auxine bezeichnet werden. Sie sorgen gemeinsam mit anderen Hormonen für eine Streckung der Pflanzenzellen und damit zum Beispiel für das schnelle Wachstum junger Sprosse. Die Art und Weise, wie Pflanzen diese Stoffe herstellen, wurde seit Jahrzehnten intensiv erforscht und ist entsprechend umfassend beschrieben. Wie diese sogenannte Biosynthetisierung hingegen bei Pilzen abläuft, ist bislang nur wenig untersucht. Bereits bekannt war, dass manche als Pflanzenschädlinge lebende Pilzarten in der Lage sind, Auxine zu bilden, um das Wachstum schädlichen Gewebes bei ihren Wirtspflanzen auszulösen. Professor Frank Kempken, Leiter der Abteilung für Botanische Genetik und Molekularbiologie an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), hat nun gemeinsam mit seiner Arbeitsgruppe erstmals den Mechanismus der Bildung von Auxinen beim Schimmelpilz Neurospora crassa beschrieben. Damit belegten die Kieler Forschenden, dass auch Pilze, die nicht als Schadorganismen leben, in der Lage sind, diese Wachstumshormone zu bilden. Ihre Erkenntnisse veröffentlichten sie nun im Fachmagazin PLoS One.

Im Rahmen seiner Dissertation verglich Puspendu Sardar, Doktorand in Kempkens Arbeitsgruppe, zunächst die Bausteine der Erbinformationen des Pilzes mit jenen anderen Organismen. So gelang es, eine Reihe von Genen zu identifizieren, die in Pflanzen und bei Neurospora crassa gleichermaßen vorkommen und beim Pilz möglicherweise ebenfalls die Auxinbildung auslösen können. Sardar entwickelte daraufhin ein bioinformatisches Modell, um die Struktur der an der Auxinbildung beteiligten Enzyme des Pilzes in der Theorie vorherzusagen. „Wir haben festgestellt, dass die bei Pflanzen an der Bildung der Wachstumshormone beteiligten Gene auch bei fast allen Pilzen vorhanden sind. Theoretisch musste also auch Neurospora crassa in der Lage sein, Auxine zu produzieren“, erklärt Kempken, Mitglied im Forschungsschwerpunkt „Kiel Life Science“ an der CAU.

Im nächsten Schritt überprüften die Kieler Forschenden, ob die identifizierten Gene auch im lebenden Organismus die vorhergesagte Wirkung besitzen. Dazu schalteten sie in genetisch veränderten Mutanten des Pilzes gezielt einzelne Gene aus, um ihre Funktion experimentell zu bestimmen. Mit dieser Methode konnten sie zunächst keinen Effekt feststellen, bis klar wurde, dass der Pilz über drei alternative Wege zur Auxinbildung verfügt. Daraufhin schaltete das Forschungsteam mehrere Gene in Kombination aus, um die redundant angelegten Mechanismen zu blockieren. Tatsächlich ging nun die Auxinkonzentration in diesen Pilzmutanten stark zurück. „Der von uns beschriebene Biosyntheseweg legt die Vermutung nahe, dass das Auxin auch bei nicht pflanzenschädlichen Pilzen eine biologische Funktion erfüllt“, betont Kempken.

Welche Rolle die Wachstumshormone spielen könnten, ist allerdings bislang unklar. Einen ersten Hinweis lieferten die CAU-Forschenden nun mit der Entdeckung, dass Auxin bei Neurospora crassa die Reproduktion beeinflusst: Die experimentell unterdrückte Hormonproduktion führte auch zu einem deutlichen Rückgang der Sporenbildung des Pilzes. Aktuell wird darüber hinaus diskutiert, ob Neurospora crassa möglicherweise in einer symbiotischen Beziehung mit Nadelbäumen lebt. Die Erkenntnisse des Kieler Forschungsteams bilden damit eine Grundlage, um künftig die biologische Funktion der Auxinbildung in Pilzen zu bestimmen und eventuell damit verbundene Interaktionen von Pilz und Pflanze aufzudecken.

Originalarbeit:
Puspendu Sardar & Frank Kempken (2018): Characterization of indole-2-pyruvic acid pathway-mediated biosynthesis of auxin in Neurospora crassa. PLoS One
doi.org/10.1371/journal.pone.0192293

www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-027-1.jpg
Die Strukturvorhersage der beteiligten Enzyme ließ die Forschenden vermuten, dass Neurospora crassa in der Lage ist, Auxin zu bilden.
Abbildung: Prof. Frank Kempken / Puspendu Sardar

www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-027-2.jpg
Die Unterdrückung der Auxinproduktion führte zu einer stark reduzierten Sporenbildung des Pilzes (im Bild: B./oben rechts).
Foto: Prof. Frank Kempken / Puspendu Sardar

Kontakt:
Prof. Frank Kempken
Abteilung Genetische Botanik und Molekularbiologie,
Botanisches Institut und Botanischer Garten, CAU Kiel
Tel.: 0431-880-4274
E-Mail: fkempken@bot.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Abteilung Genetische Botanik und Molekularbiologie,
Botanisches Institut und Botanischer Garten, CAU Kiel
www.uni-kiel.de/Botanik/Kempken/fbkem.shtml

Forschungsschwerpunkt „Kiel Life Science“, CAU Kiel
www.kls.uni-kiel.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de, Internet: ► www.uni-kiel.de
Twitter: ► www.twitter.com/kieluni, Facebook: ► www.facebook.com/kieluni, Instagram: ► www.instagram.com/kieluni
Text / Redaktion: ► Christian Urban

Gute Gene - Langes Leben?

12.12.2017

Kieler Forschende entdecken neue Aspekte des „Langlebigkeits-Gens“ FOXO3
 
Bereits 2009 bestätigten Mitglieder des Exzellenzclusters „Entzündungsforschung“, dass FOXO3 ein „Langlebigkeits-Gen“ ist. In einer neuen Studie, die jetzt in der Fachzeitschrift Nature Communications erscheint, konnte das Kieler Forschungsteam nun erstmals zeigen, welche Veränderungen in der Basensequenz des Gens zu einer besonders langen Lebenszeit beitragen. Aber nicht nur die genetischen Voraussetzungen, sondern auch die Umwelt- und Ernährungsbedingungen unter denen Menschen leben entscheiden darüber, wie alt diese werden. Es scheint, dass die lebensverlängernden Effekte von FOXO3 vor allem dann zum Tragen kommen, wenn das Nahrungsangebot nicht zu reichhaltig ist.
 
Das Gen FOXO3 fördert bei Menschen die Langlebigkeit. Dies wiesen Forschende unter der Leitung von Professorin Almut Nebel vom Institut für Klinische Molekularbiologie (IKMB) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel bereits 2009 für die deutsche Bevölkerung nach. Doch bisher war nicht bekannt, welche Veränderungen im FOXO3-Gen in einer überdurchschnittlich langen Lebenszeit resultieren. Diese Wissenslücke konnten die Fachleute jetzt schließen. „Wir können mit unseren neuen Daten zeigen, dass insbesondere zwei Varianten im Gen FOXO3 ein langes Leben fördern“, fassen die Erstautorinnen Dr. Friederike Flachsbart und Dr. Janina Dose vom IKMB die neuesten Erkenntnisse zusammen. „Diese Veränderungen fanden wir häufiger bei Hundertjährigen als bei Menschen zwischen 60 und 75 Jahren.“ Die Fachleute untersuchten in der aktuellen Studie nicht nur Deutsche, sondern verglichen ihre Ergebnisse auch mit Daten aus Dänemark und Frankreich. Dabei ähnelten sich die genetischen Muster der Hundertjährigen stark. Die identifizierten Varianten führen wahrscheinlich über eine erhöhte Expression des FOXO3 Gens zur Langlebigkeit; einen ähnlichen Mechanismus kennt man auch von Würmern, Fliegen und Mäusen.
 
Neben der Genetik beeinflussen aber auch weitere Faktoren ein langes Leben. Denn FOXO3 spielt eine sehr wichtige Rolle im Insulinstoffwechsel. Hier reagiert das Gen insbesondere auf ernährungsbedingten Stress, also Hunger oder Überfluss. Die Forschenden gehen davon aus, dass die beiden Langlebigkeitsvarianten in FOXO3 unter normalen und nährstoffarmen Bedingungen zu einer höheren Expression des Gens führen. „Unsere experimentellen Daten legen nahe, dass für unser heutiges Ernährungsverhalten, das eher durch ein Zuviel als durch ein Zuwenig gekennzeichnet ist, die jetzt nachgewiesenen Veränderungen im Langlebigkeits-Gen eher ein Nachteil sein könnten“, vermutet Studienleiterin Nebel. Denn die Ernährung der Menschen habe sich in relativ kurzer Zeit extrem stark verändert.
 
Ein Vergleich mit publizierten Daten aus menschlichen Skeletten der Jungsteinzeit, also von vor etwa 7.000 Jahren, zeigt eine spannende Entwicklung: In dieser Zeit kamen die beiden Langlebigkeitsvarianten des FOXO3 in der Bevölkerung deutlich häufiger vor als heute. Ein möglicher Grund ist die erhebliche Veränderung der Nahrungszusammensetzung. Denn vor rund 7.000 Jahren wurden die Menschen in Europa sesshaft und begannen, beispielsweise mehr Kohlenhydrate und tierisches Eiweiß in Form von Milch oder Fleisch zu sich zu nehmen. Vermutlich wurden dann im Laufe der Jahrtausende die beiden Langlebigkeitsvarianten des FOXO3 seltener, da sie ihren Trägern infolge des veränderten Ernährungsverhaltens keinen Fitness- und Überlebensvorteil mehr boten. Als kommende Fragestellung möchte die Biologin Nebel in Zusammenarbeit mit Kieler Kollegen neben verschiedenen Eiweißkomponenten auch weitere Nahrungsbestandteile analysieren: „Wir möchten als nächstes untersuchen, welchen Einfluss die beiden Langlebigkeitsvarianten in Wechselwirkung mit Nährstoffen wie Zucker und Fetten auf die Aktivität von FOXO3 haben.“
 
Originalpublikation:
Flachsbart, F, Dose, J, Gentschew, L, Geismann, C, Caliebe, A, Knecht, C, Nygaard, M, Badarinarayan, N, ElSharawy, A, May, S, Luzius, A, Torres, GG, Jentzsch, M, Forster, M, Haesler, R, Pallauf, K, Lieb, W, Derbois, C, Galan, P, Drichel, D, Arlt, A, Till, A, Krause-Kyora, B, Rimbach, G, Blanché, H, Deleuze, J-F, Christiansen, L, Christensen, K, Nothnagel, M, Rosenstiel, P, Schreiber, S, Franke, A, Sebens, S und Nebel, A (2017): Identification and characterization of two functional variants in the human longevity gene FOXO3. Nature Communications, http://dx.doi.org/10.1038/s41467-017-02183-y
 
Kontakt:

Professorin Almut Nebel
Institut für Klinische Molekularbiologie
E-Mail: a.nebel@mucosa.de
Tel.: (0431) 500-15155
 
Bildmaterial steht zum Download bereit:
http://inflammation-at-interfaces.de/de/newsroom/aktuelles/Langlebigkeitsgen_ElisabethWalser.png
Viele Menschen wünschen sich ein langes Leben. Das Foto zeigt Elisabeth Walser, die 1905 in München geboren wurde. Für den Bildband „100 Jahre Leben“ portraitierte sie der Fotograf Andreas Labes.
 
http://inflammation-at-interfaces.de/de/newsroom/aktuelles/Langlebigkeitsgen_ErichWalde.png
Es ist bekannt, dass vor allem Männer von den Langlebigkeitsvarianten in FOXO3 profitieren. Erich Walde wurde 1905 in Halle an der Saale geboren. Auch er wurde von Andreas Labes für den Bildband „100 Jahre Leben“ fotografiert.
Beide Fotos dürfen nur im Zusammenhang mit dem Pressethema „Gute Gene - Langes Leben?“  verwendet werden.
Fotos und Copyright: Andreas Labes
 
Weitere Informationen:
Publikation von 2009 zum Gen FOXO3 u. a. von Friederike Flachsbart und Almut Nebel in Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America: http://www.pnas.org/content/106/8/2700.long
 
Pressekontakt:
Dr. Tebke Böschen
Telefon: (0431) 880-4682, E-Mail: tboeschen@uv.uni-kiel.de
Internet: www.inflammation-at-interfaces.de
 
Der Exzellenzcluster „Inflammation at Interfaces/Entzündungsforschung“ wird seit 2007 durch die Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder mit einem Gesamtbudget von 68 Millionen Euro gefördert; derzeit befindet er sich in der zweiten Förderphase. Die rund 300 Clustermitglieder an den insgesamt vier Standorten: Kiel (Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Universitätsklinikum Schleswig-Holstein, Muthesius Kunsthochschule), Lübeck (Universität zu Lübeck, UKSH), Plön (Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie) und Borstel (Forschungszentrum Borstel – Leibniz-Zentrum für Medizin und Biowissenschaften) forschen in einem innovativen, systemischen Ansatz an dem Phänomen Entzündung, das alle Barriereorgane wie Darm, Lunge und Haut befallen kann.
 
Exzellenzcluster Entzündungsforschung
Wissenschaftliche Geschäftsstelle, Leitung: Dr. habil. Susanne Holstein
Postanschrift: Christian-Albrechts-Platz 4, D-24118 Kiel
Telefon: (0431) 880-4850, Telefax: (0431) 880-4894
E-Mail: spetermann@uv.uni-kiel.de
Twitter: I@I @medinflame
 

 

Wie Urbakterien Entzündungsreaktionen auslösen können

23.11.2017


Forschende aus Borstel und Kiel ergründen die Rolle der Archaeen bei der Entstehung von Entzündungen im menschlichen Körper

Gemeinsame Pressemitteilung des Forschungszentrums Borstel (FZB) und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU)

Der Körper jedes Menschen beherbergt Billionen unterschiedlichster Mikroorganismen. Immer mehr wissenschaftliche Studien konnten in den letzten Jahren belegen, dass diese körpereigene Mikrobiota ganz wesentlich unsere Gesundheit beeinflusst und viele immunologische Prozesse durch diese Mikroben moduliert werden. Die Mikrobiota wird zwar von Bakterien dominiert, besteht aber auch aus anderen Organismen wie Viren, tierischen Einzellern und Archaeen, die auch als Urbakterien bezeichnet werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Forschungszentrums Borstel (FZB) und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) konnten nun erstmals zeigen, wie Archaeen des Stamms Methanosphaera stadtmanae vom menschlichen Immunsystem erkannt werden. Die Forschenden veröffentlichten ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Frontiers in Immunology.

Archaeen bilden neben den Bakterien und den Eukaryoten – Organismen, die Zellen mit Zellkern besitzen und zu denen auch die Menschen gehören – die dritte sogenannte Domäne des Lebens. Ebenso wie Bakterien sind Archaeen einzellig und haben keinen Zellkern. Viele ihrer wesentlichen zellulären Prozesse ähneln im Gegensatz dazu aber eher denen der Eukaryoten. Heute ist bekannt, dass Archaeen nicht nur unter extremen Umweltbedingungen wie zum Beispiel in Hydrothermalquellen der Tiefsee zu finden sind, sondern auch in kalten Umgebungen wie im und auf dem menschlichen Körper leben. Dort besiedeln sie unter anderem die Haut und den Darm, werden aber auch in der Lunge vermutet.

Im Rahmen eines gemeinsamen Projektes, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird, konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem FZB und der CAU zeigen, dass wichtige menschliche Immunzellen unterschiedlich stark auf verschiedene Archaeen-Stämme reagieren. Insbesondere der Stamm Methanosphaera stadtmanae, der mit verschiedenen entzündlichen Darmerkrankungen aber auch mit Atemwegsentzündungen in Verbindung gebracht wird, führte dabei zu starken entzündlichen Reaktionen.

Das Immunsystem reagiert auf einen Fremdorganismus mit einer Entzündungsreaktion, wenn es diesen als schädlich erkannt hat. Die Mechanismen dieser immunologischen Erkennung sind im Falle von Bakterien und Viren in den letzten Jahrzehnten intensiv untersucht und aufgeklärt worden. Bis jetzt völlig unbekannt war hingegen, wie Archaeen des Stamms Methanosphaera stadtmanae durch das menschliche Immunsystem erkannt werden können. Im Rahmen seiner Doktorarbeit konnte Tim Vierbuchen aus der Forschungsgruppe Angeborene Immunität am Forschungszentrum Borstel gemeinsam mit Dr. Corinna Bang aus der Abteilung Molekularbiologie der Mikroorganismen an der CAU diesen immunologischen Erkennungsprozess nun identifizieren.

„Für unsere Untersuchungen haben wir modernste molekularbiologische Methoden eingesetzt: Mittels des sogenannten Gene-Editings durch CRISPR/Cas9 konnten wir einzelne Rezeptoren und Signalwege von Immunzellen gezielt ausschalten,“ erläutert Prof. Holger Heine, Leiter der Forschungsgruppe Angeborene Immunität am FZB. Hierbei zeigte sich, dass die Erkennung von M. stadtmanae über dessen Ribonukleinsäure (RNA), also den Informationsüberträger genetischer Informationen, erfolgt: Nach Aufnahme des Archaeons durch die Immunzellen wird dessen RNA zugänglich und in der Folge über zwei spezifische Rezeptoren des angeborenen Immunsystems namens TLR7 und TLR8 aktiviert. Auslöser der Entzündungsreaktion ist dann TLR8 allein. Dieser Rezeptor aktiviert einen entscheidenden Signalkomplex, das sogenannte Inflammasom, das den Entzündungsprozess schließlich in Gang setzt.

Die vorliegende Publikation liefert eine Grundlage, auf der nun weitere Forschungsarbeiten aufbauen können: „Wir möchten in Zukunft klären, ob der neu beschriebene Mechanismus der Immunerkennung auch auf weitere Methanoarchaeen-Stämme übertragbar ist oder möglicherweise sogar allgemein für alle Urbakterien gilt oder ganz spezifisch ist für M. stadtmanae“, betont Professorin Ruth Schmitz-Streit, Direktorin am Institut für Allgemeine Mikrobiologie der CAU. So könne es künftig gelingen, die Rolle der durch (Methano-)Archaeen ausgelösten Entzündungsreaktionen bei der Entstehung gravierender Entzündungskrankheiten des Menschen zu klären, so Schmitz-Streit weiter.

Originalpublikation:
Vierbuchen T, Bang C, Rosigkeit H, Schmitz RA and Heine H (2017).
The Human-Associated Archaeon Methanosphaera stadtmanae Is Recognized through Its RNA and Induces TLR8-Dependent NLRP3 Inflammasome Activation. Frontiers in Immunology 8:1535. doi: 10.3389/fimmu.2017.01535

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-371-1.jpg
Bildunterschrift: Mikroskopische Aufnahme von Zellen des angeborenen Immunsystem mit Archaeen.
Abbildung: Tim Vierbuchen, FZB

Kontakt:
Prof. Dr. Holger Heine
Leiter Forschungsgruppe Angeborene Immunität
Programmbereich Asthma & Allergie
Forschungszentrum Borstel, Leibniz-Zentrum für Medizin und Biowissenschaften, Airway Research Center North (ARCN), Deutsches Zentrum für Lungenforschung (DZL)
Parkallee 22
23845 Borstel
+49 (0)4537 188-4200
E-Mail: hheine@fz-borstel.de

Prof. Dr. Ruth Schmitz-Streit
Molekularbiologie der Mikroorganismen,
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-4334
E-Mail: rschmitz@ifam.uni-kiel.de

Ansprechpartnerin für die Medien:
Britta Weller
Öffentlichkeitsarbeit, Forschungszentrum Borstel –
Leibniz-Zentrum für Medizin und Biowissenschaften
Telefon: 04537 188-2870
E-Mail: bweller@fz-borstel.de

Weitere Informationen:
Programmbereich Asthma und Allergie,
Forschungszentrum Borstel – Leibniz-Zentrum für Medizin und Biowissenschaften:
www.fz-borstel.de/cms/de/forschungszentrum/programmbereich-asthma-und-allergie/angeborene-immunitaet.html

Molekularbiologie der Mikroorganismen (AG Schmitz-Streit),
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
www.mikrobio.uni-kiel.de/de/ag-schmitz-streit

Über das Forschungszentrum Borstel
Das Forschungszentrum Borstel ist das Lungenforschungszentrum der Leibniz-Gemeinschaft. Im Fokus stehen chronisch-entzündliche Lungenerkrankungen wie Asthma und Allergien, chronisch-obstruktive Lungenerkrankung (COPD) sowie Tuberkulose und andere infektionsbedingte Entzündungen der Lunge. Das übergeordnete Ziel der interdisziplinären Forschungsaktivitäten ist, die Ursachen und Mechanismen chronisch-entzündlicher und degenerativer Erkrankungen der Lunge aufzuklären, um daraus neue innovative Konzepte zu deren Diagnostik, Prävention und Therapie abzuleiten. fz-borstel.de

Über die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU)
Die CAU ist die einzige Volluniversität und das wissenschaftliche Zentrum von Schleswig-Holstein. Hier studieren mehr als 26.000 junge Menschen, hier lehren und forschen rund 2.000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Von den Agrarwissenschaften bis zur Zahnmedizin bildet sie in derzeit 185 Studiengängen und zirka 80 verschiedenen Fächern aus. Zu den vier Gründungsfakultäten Theologie, Recht, Medizin und Philosophie kamen seit 1665 vier weitere hinzu: Natur- und Geisteswissenschaften, Wirtschaft, Agar- und Ernährungswissenschaft sowie Technik. Während ihrer langen Geschichte ist die Christian-Albrechts-Universität eng mit der Stadt Kiel verwachsen. Gemeinsam mit dem Klinikum ist sie heute die größte Arbeitgeberin der Region. Sie versteht sich als moderne Volluniversität verbundener Wissenschaftskulturen. www.uni-kiel.de

Über die Leibniz-Gemeinschaft
Zur Leibniz-Gemeinschaft gehören zurzeit 91 Forschungsinstitute und wissenschaftliche Infrastruktureinrichtungen für die Forschung. Die Ausrichtung der Leibniz-Institute reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Sozial- und Raumwissenschaften bis hin zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute arbeiten strategisch und themenorientiert an Fragestellungen von gesamtgesellschaftlicher Bedeutung. Bund und Länder fördern die Institute der Leibniz-Gemeinschaft daher gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen etwa 18.600 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter bei einem Jahresetat von ca. 1,7 Milliarden Euro. www.leibniz-gemeinschaft.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de, Internet: ► www.uni-kiel.de
Twitter: ► www.twitter.com/kieluni, Facebook: ► www.facebook.com/kieluni, Instagram: ► www.instagram.com/kieluni
Text / Redaktion: Britta Weller / Christian Urban

 

Bakterieller Faktor kann die Schutzschicht im Darm stören

23.11.2017

Bildunterschrift: Dr. Rielana Wichert, Erstautorin der Cell Reports Studie, bei der Arbeit am Konfokalmikroskop. Auf dem Monitor sind Gewebeproben des Dünndarms zu sehen, die mit Hilfe von fluoreszierenden Antikörpern gegen zwei Proteine angefärbt wurden. In grün gefärbt sieht man das Protein der Schleimhaut (MUC2), das sich oberhalb der Zellmembran befindet. Das in dieser Studie charakterisierte Enzym Meprin β ist rot gefärbt und auf der Oberfläche der Darmepithelzellen lokalisiert; es befindet sich in der Nähe der Schleimschicht. Die Zellkerne der Darmzellen sind blau angefärbt und verdeutlichen den typischen Aufbau des Darmepithels aus Zotten und Krypten. Foto: Christoph Becker-Pauly

Menschliches Enzym reguliert lebensnotwendige Schleimschicht im Darm

Zur Pressemeldung des Exzellenzclusters Entzüdungsforschung

Aktuelle Publikation in Cell Reports von Prof. Dr. Christoph Becker-Pauly,
Biochemisches Institut  der CAU http://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(17)31550-4

Bakterien als Schrittmacher des Darms

22.11.2017

CAU-Forschungsteam deckt Verbindung zwischen Mikrobiom und für eine gesunde Darmfunktion unverzichtbaren Gewebekontraktionen auf

Spontane Kontraktionen des Verdauungstrakts spielen bei den allermeisten Lebewesen eine wichtige Rolle, um eine gesunde Darmfunktion zu gewährleisten. Von einfachen wirbellosen Tieren bis hin zum Menschen sind es durchweg ähnliche Bewegungsmuster, die durch das rhythmische Zusammenziehen der Muskulatur den Darminhalt transportieren und durchmischen. Diese Kontraktionen des Darms sind für den Verdauungsprozess unverzichtbar und werden in der Wissenschaft als Peristaltik bezeichnet. Bei verschiedenen Krankheiten des Verdauungstraktes, zum Beispiel gravierenden entzündlichen Darmerkrankungen des Menschen, liegen Störungen der natürlichen Peristaltik vor. Bislang ist wenig erforscht, durch welche Faktoren diese Kontraktionen gesteuert werden. Ein Forschungsteam aus der Arbeitsgruppe Zell- und Entwicklungsbiologie am Zoologischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) konnte nun erstmals belegen, dass die Bakterienbesiedlung des Darms eine wichtige Regelfunktion für die Peristaltik übernimmt. Ihre am Beispiel des Süßwasserpolypen Hydra gewonnenen Erkenntnisse veröffentlichten die Kieler Forschenden gestern in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Scientific Reports.

Auslöser der normalen, spontanen Kontraktionen des Muskelgewebes sind sogenannte Schrittmacherzellen des Nervensystems. In einem gewissen Rhythmus senden sie elektrische Impulse aus, deren Entladungen keiner äußeren Stimulation bedürfen. Diese Impulse erreichen schließlich die glatte Muskulatur der Darmwand und sorgen dafür, dass diese sich zusammenzieht. Obwohl die Impulse an sich gewissermaßen von selbst ablaufen, unterliegen ihre Häufigkeit und Stärke dennoch externen Einflüssen. „Das Beispiel des einfachen Süßwasserpolypen Hydra hat uns gezeigt, dass die Bakterienbesiedlung des Tieres die Kontraktionen seiner Körperhöhle beeinflussen kann und dabei vermutlich in die Steuerung der zugrundeliegenden Schrittmachersignale eingreift“, fasst Professor Thomas Bosch, Leiter der Studie und Sprecher des Sonderforschungsbereichs 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“, zusammen. Hydren verfügen anders als höher entwickelte Lebewesen über keinen Darm im eigentlichen Sinne. Ihre einfache Körperhöhle übernimmt aber neben anderen auch die Funktion eines Verdauungstrakts; das umgebende Gewebe zeigt ebenfalls die für den höher entwickelten Darm typischen Kontraktionen.

Um herauszufinden, wie die Peristaltik bei den Süßwasserpolypen gesteuert wird, verglichen die Forschenden normale, mit der typischen Bakterienbesiedlung ausgestattete Tiere mit solchen, deren Mikrobiom mit Hilfe eines Antibiotikums vollständig entfernt wurde. Diese auch als keimfreie Polypen bezeichneten Tiere ohne Bakterienbesiedlung zeigten im Vergleich eine ungefähr auf die Hälfte reduzierte Anzahl an Kontraktionen, zugleich geriet der Takt der Bewegung durcheinander und die Pausen zwischen den Kontraktionen waren teilweise deutlich länger. Das Fehlen des typischen Mikrobioms verursachte also bei Hydra eine gravierende Einschränkung der peristaltischen Bewegungen der Körperhöhle.

In einem nächsten Schritt stellten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine gewisse Bakterienbesiedlung der keimfreien Tiere wieder her. Zunächst siedelten sie die fünf häufigsten Bakterienarten des Hydra-Mikrobioms jeweils einzeln wieder in den keimfreien Polypen an. Es zeigte sich, dass diese einseitige Bakterienbesiedlung keinen nennenswerten Effekt auf die Häufigkeit und den Takt der Kontraktionen hatte. Erst die gemeinsame Wiedereinführung der fünf Hauptvertreter des Mikrobioms führte zu einer deutlichen Erholung der Peristaltik, obwohl sich auch in diesem Fall das Muster der Kontraktionen nicht vollständig normalisierte. Einen ähnlichen positiven Einfluss hatte interessanterweise auch ein aus den besiedelnden Bakterien hergestellter Extrakt.

Das Kieler Forschungsteam schloss daraus, dass nur das natürliche und vom Gleichgewicht der vertretenen Bakterienarten gekennzeichnete Mikrobiom bei Hydra eine wichtige Schrittmacherfunktion für die Peristaltik übernehmen kann. Sie fanden heraus, dass in diesem Fall bestimmte von den Bakterien abgesonderte Moleküle in den Regelmechanismus der Schrittmacherzellen eingreifen können. So können bakterielle Signale entscheidend auf das Muster der spontanen peristaltischen Kontraktionen einwirken. „Wir konnten erstmals belegen, dass in unserem einfachen Modellorganismus das Mikrobiom eine unverzichtbare Funktion für die Häufigkeit und den Takt der Gewebekontraktionen übernimmt“, betont Bosch.

Das Beispiel des entwicklungsgeschichtlich ursprünglichen Modellorganismus Hydra zeige zudem, dass die Steuerung wichtiger Lebensprozesse vielzelliger Lebewesen durch ihre bakteriellen Symbionten bereits sehr früh in der Entwicklung des Lebens entstanden ist, so Bosch weiter. Daher seien die neuartigen Erkenntnisse besonders auch für die medizinische Forschung vielversprechend: „Die grundlegende Entschlüsselung der Zusammenarbeit von Organismus und Mikrobiom bei der Steuerung der Peristaltik wird uns künftig dabei helfen, die Entstehung schwerwiegender Krankheiten zu verstehen, die auf einer gestörten Beweglichkeit des Darms beruhen“, fasst Bosch zusammen.

Originalarbeit:
Andrea P. Murillo-Rincón, Alexander Klimovich, Eileen Pemöller, Jan Taubenheim, Benedikt Mortzfeld, René Augustin & Thomas C.G. Bosch (2017): “Spontaneous body contractions are modulated by the microbiome of Hydra”. Scientifc Reports, Published on 21.11.2017,
doi:10.1038/s41598-017-16191-x

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-368-1.gif
Bildunterschrift: Das typische Kontraktionsmuster des Süßwasserpolypen Hydra: Im Laufe von drei Minuten zieht sich das Tier stark zusammen und entspannt sich anschließend wieder vollständig.
Animation: Andrea Murillo-Rincon, Dr. Alexander Klimovich

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-368-2.jpg
Bildunterschrift: Die Kontraktionen des Körpers werden von Nervenzellen (in grün) ausgelöst; Bakterien (in rot) greifen dabei in den Regelmechanismus der diesem Ablauf zugrundeliegenden Schrittmacherzellen ein.
Abbildung: Christoph Giez, Dr. Alexander Klimovich

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-368-3.jpg
Bildunterschrift: Nervenzellen der Hydren (in grün) erzeugen elektrische Impulse, die zu Kontraktionen der Muskelfasern (in rot) im Gewebe der Körperhöhle führen.
Abbildung: Christoph Giez, Dr. Alexander Klimovich

Kontakt:
Prof. Thomas Bosch,
Zoologisches Institut, CAU Kiel
Tel.: 0431-880-4170
E-Mail: tbosch@zoologie.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Forschungsschwerpunkt „Kiel Life Science“, CAU Kiel
www.kls.uni-kiel.de

Sonderforschungsbereich 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“, CAU Kiel:
www.metaorganism-research.com

Zell- und Entwicklungsbiologie (AG Bosch), Zoologisches Institut, CAU Kiel
www.bosch.zoologie.uni-kiel.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de, Internet: ► www.uni-kiel.de
Twitter: ► www.twitter.com/kieluni, Facebook: ► www.facebook.com/kieluni, Instagram: ► www.instagram.com/kieluni
Text / Redaktion: ► Christian Urban

Pflanzen gegen Staunässe schützen

17.10.2017

CAU-Forscherinnen entdecken bislang unbekannten Vermeidungsmechanismus von Pflanzenwurzeln

Forschende warnen vor künftig immer häufiger auftretenden Extremwetterereignissen infolge des Klimawandels. Aktuelle Umweltkatastrophen wie zum Beispiel die in diesem Jahr zahlreichen und besonders starken tropischen Hurrikane scheinen diese Tendenz zu bestätigen. Oft sind solche Wetterextreme von Überflutungen begleitet, die auch landwirtschaftlich genutzte Flächen vermehrt betreffen. Für den Pflanzenbau werden sie zu einem immer schwerwiegenderen Problem, denn die Mehrzahl der intensiv angebauten Nutzpflanzen ist wenig nässetolerant. Zunehmende Ertragseinbußen zeichnen sich ab. Gleichzeitig nimmt der Ertragsdruck auf die zur Verfügung stehenden landwirtschaftlichen Flächen angesichts der wachsenden Weltbevölkerung rapide zu.

CAU-Forscherinnen aus der Arbeitsgruppe Entwicklungsbiologie und Physiologie der Pflanzen am Botanischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) beschäftigen sich in diesem Zusammenhang mit den Auswirkungen der globalen Klimaveränderungen auf die Wachstumsbedingungen von Pflanzen. Am Beispiel der häufig im Labor genutzten Modellpflanze Arabidopsis thaliana, die auch als Acker-Schmalwand bekannt ist, untersuchte die Doktorandin Emese Eysholdt-Derzsó, wie Pflanzen auf vorübergehenden Nässestress reagieren. „In ihrer Arbeit beschreibt Eysholdt-Derzsó erstmals im Detail, welche Auswirkungen Staunässe und der damit verbundene Sauerstoffmangel auf das Wachstum der Acker-Schmalwand-Wurzeln hat und welche genetischen Mechanismen die Anpassung der Pflanze steuern“, betont die Leiterin der Forschungsgruppe, Professorin Margret Sauter. Die neuen Erkenntnisse veröffentlichte das Kieler Forschungsteam kürzlich in der Fachzeitschrift Plant Physiology.

Nässe und sauerstoffarme Bodenverhältnisse sind für die meisten Pflanzen existenzbedrohend, da sie die Wurzeln am Wachstum und damit an der Nährstoffaufnahme hindern. Für eine gewisse Zeit können sie sich allerdings mit verschiedenen Schutzmechanismen an Staunässe anpassen. Die CAU-Forscherinnen untersuchten nun, wie sich Nässe auf das Wachstum und die Gesamtstruktur der Acker-Schmalwand-Wurzeln auswirkt. Dazu setzten sie sieben Tage alte Arabidopsis-Keimlinge abwechselnd unterschiedlichen Sauerstoffregimes aus: Jeweils für einen Tag waren sie mit nassen und sauerstoffarmen und dann wieder mit normalen Wachstumsbedingungen konfrontiert. Die Versuche zeigten, wie die Wurzeln besonders nassen und sauerstoffarmen Bodenbereichen zu entgehen versuchen. Mittels eines genetisch festgelegten Regelmechanismus unterbricht die Pflanze das normale, nach unten gerichtete Wurzelwachstum. Stattdessen weichen die Wurzeln horizontal in Richtung trockenerer und damit sauerstoffreicherer Bodenbereiche aus. „Wir konnten zeigen, dass dieser Ablauf reversibel ist. Sobald ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht, wachsen die Wurzeln wieder wie üblich nach unten“, sagt die Erstautorin Eysholdt-Derzsó.

Den gesamten Prozess bezeichnen die Kieler Wissenschaftlerinnen als Root Bending. Es gelang ihnen, die dafür verantwortliche genetische Regulation zu entschlüsseln: Fünf der insgesamt 130 Mitglieder der sogenannten ERF-Transkriptionsfaktoren der Acker-Schmalwand sind dafür zuständig, auf den Nässestress der Wurzel zu reagieren. Sie aktivieren Gene, die für eine gezielte Verteilung des pflanzlichen Wachstumshormons Auxin in der Wurzel sorgen. Dieses Phytohormon wird dabei asymmetrisch im Wurzelgewebe umgelagert. Da das Auxin hemmend wirkt, wächst die Wurzel dort langsamer, wo es in hoher Konzentration auftritt, so dass eine Biegung der Wurzel ausgelöst wird. Die Verteilung von Auxin in der Wurzel und damit der Auslöser des Root Bending lässt sich mit einer Fluoreszenz-Methode sichtbar machen.

Die Acker-Schmalwand gehört zur Familie der Kreuzblütler und ist zum Beispiel mit Raps oder diversen Kohlsorten verwandt. Die am Modellorganismus gewonnenen Erkenntnisse lassen sich daher mit einiger Wahrscheinlichkeit auf verschiedene Nutzpflanzen übertragen. Künftige Forschungsarbeiten werden dabei helfen, den Mechanismus des Root Bending auch an anderen Pflanzen weiter zu erforschen und zu verstehen. Langfristiges Ziel der Forschenden ist es, eine eventuelle Übertragung auf Nutzpflanzen zu erreichen, um so in Zukunft ihre Staunässetoleranz zu erhöhen und damit landwirtschaftliche Ertragseinbußen zu verringern.

Die vorliegende Forschungsarbeit wurde im Rahmen einer Einzelprojekt-Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert.

Originalarbeit:
Emese Eysholdt-Derzsó, Margret Sauter (2017): “Root bending is antagonistically affected by hypoxia and ERF-mediated transcription via auxin signaling”. Plant Physiology DOI:10.1104/pp.17.00555

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-318-1.jpg
Bildunterschrift: Der durch Nässe bedingte Sauerstoffmangel des Bodens verursacht die Biegung (rechts im Bild) der Arabidopsis-Wurzel.
Abbildung: Emese Eysholdt-Derzsó

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-318-2.jpg
Bildunterschrift: Die Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) eignet sich hervorragend als Modellorganismus für Laboruntersuchungen.
Foto: Emese Eysholdt-Derzsó

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-318-3.jpg
Bildunterschrift: Das Phytohormon Auxin (fluoreszierend am rechten Bildrand) hemmt das Wachstum einseitig und krümmt dadurch die Arabidopsis-Wurzel.
Abbildung: Emese Eysholdt-Derzsó

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-318-4.jpg
Bildunterschrift: Emese Eysholdt-Derzsó, Doktorandin in der Entwicklungsbiologie und Physiologie der Pflanzen an der CAU, erforschte das Root Bending.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-318-5.jpg
Bildunterschrift: Um das Root Bending zu untersuchen, verwendeten die Forscherinnen Acker-Schmalwand-Keimlinge, die unter kontrollierten Bedingungen gezüchtet wurden. Foto: Christian Urban, Universität Kiel

Kontakt:
Prof. Margret Sauter
Botanisches Institut und Botanischer Garten, CAU Kiel
Tel.: 0431-880-4210
E-Mail: msauter@bot.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Entwicklungsbiologie und Physiologie der Pflanzen (AG Sauter),
Botanisches Institut und Botanischer Garten, CAU Kiel:
http://www.sauter.botanik.uni-kiel.de

Forschungsschwerpunkt „Kiel Life Science“, CAU Kiel:
http://www.kls.uni-kiel.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de, Internet: ► www.uni-kiel.de
Twitter: ► www.twitter.com/kieluni, Facebook: ► www.facebook.com/kieluni, Instagram: ► www.instagram.com/kieluni
Text / Redaktion: ► Christian Urban

Nerven steuern die Bakterienbesiedlung des Körpers

26.09.2017

CAU-Forschungsteam belegt erstmals Zusammenarbeit zwischen Nervensystem und mikrobieller Besiedlung des Körpers

Ein zentraler Aspekt der modernen Lebenswissenschaften ist die Erforschung des symbiotischen Zusammenlebens von Tier, Pflanze und Mensch mit ihren spezifischen bakteriellen Besiedlungen. Die Gesamtheit der Mikroorganismen, die auf und in einem Wirtsorganismus angesiedelt sind, bezeichnen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler als Mikrobiom. Seit einigen Jahren verdichten sich Hinweise, dass die Zusammensetzung und Balance des Mikrobioms eine entscheidende Rolle für die Gesundheit spielen. Störungen der bakteriellen Besiedlung des Körpers dagegen sind insbesondere an der Entstehung verschiedener sogenannter Umwelterkrankungen beteiligt. Wie die Zusammenarbeit von Organismus und Bakterien auf molekularer Ebene abläuft und wie Mikrobiom und Körper dabei als funktionale Einheit agieren, ist bislang allerdings weitgehend unbekannt.

Einen wichtigen Schritt in der Entschlüsselung dieser hochkomplexen Beziehungen ist nun ein Forschungsteam der Arbeitsgruppe Zell- und Entwicklungsbiologie am Zoologischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gegangen: Am Beispiel des Süßwasserpolypen Hydra untersuchten die Kieler Forschenden gemeinsam mit internationalen Kolleginnen und Kollegen, wie das einfache Nervensystem dieser Tiere mit ihrem Mikrobiom interagiert. Dabei konnten sie erstmals belegen, dass Nervenzellen kleine Moleküle produzieren, die als Botenstoffe die Zusammensetzung und Ansiedlung spezifischer Bakterienarten im Körper bestimmen. „Bisher waren die Faktoren, die die Bakterienbesiedlung des Körpers beeinflussen, weitgehend unbekannt. Wir konnten zum ersten Mal nachweisen, dass das Nervensystem hier eine wichtige regulierende Rolle übernimmt“, betont Professor Thomas Bosch, Entwicklungsbiologe und Sprecher des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereichs (SFB) 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“. Ihre neuartigen Erkenntnisse veröffentlichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am heutigen Dienstag in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications.

Das von Bosch geleitete Forschungsteam wählte für seine Untersuchungen den entwicklungsgeschichtlich alten Süßwasserpolypen Hydra, ein in Süß- und Fließgewässern lebendes Nesseltier. Seine einfachen Strukturen erleichtern die Erforschung der grundlegenden Strukturen und Funktionsweise des Nervensystems; so verfügt Hydra über einen simplen Körperbau und ein Nervennetz mit nur etwa 3000 einzelnen Nervenzellen. Zugleich weist das Tier trotz seiner Einfachheit bereits zahlreiche molekulare Merkmale höherer Lebewesen auf, die zum Beispiel auch bei den Wirbeltieren noch vorhanden sind. Daher lassen sich am Beispiel dieses Modellorganismus ursprüngliche und daher universell gültige Funktionsprinzipien des Nervensystems ableiten.

Die Kieler Forschenden gingen der Frage nach, wie die als Neuropeptide bezeichneten Botenstoffe des Nervensystems die Zusammenarbeit und Kommunikation von Wirt und Mikroben steuern. Sie fanden zelluläre, molekulare und genetische Belege dafür, dass Neuropeptide eine antibakterielle Wirkung entfalten können und damit die Zusammensetzung und räumliche Verteilung der Bakterienbesiedlung beeinflussen. Um dies zu belegen, konzentrierte sich das Forschungsteam auf die Ausbildung des Nervensystems des Süßwasserpolypen in der individuellen Entwicklung vom Ei bis hin zum ausgewachsenen Tier. Die Nesseltiere entwickeln innerhalb von etwa drei Wochen ein vollständiges Nervensystem; während dieser Zeit ändert sich auch die Bakterienbesiedlung ihres noch unreifen Körpers radikal, bis sich schließlich eine stabile Zusammensetzung des Mikrobioms herausbildet. Unter dem Einfluss der antimikrobiellen Wirkung der Neuropeptide nimmt die Konzentration einer bestimmten Untergruppe von Bakterien, der sogenannten grampositiven Bakterien, im Laufe von etwa vier Wochen stark ab. Am Ende dieses Reifeprozesses herrscht eine typische, insbesondere von gramnegativen Curvibacter-Bakterien dominierte Zusammensetzung des Mikrobioms vor. Da

die steuernden Neuropeptide nur an bestimmten Stellen des Körpers bildet, sorgen sie für eine entsprechende Verteilung der Bakterien entlang der Körperachse des Tieres. So finden sich im Bereich des Kopfes, wo eine starke Konzentration von antimikrobiellen Neuropeptiden herrscht, zum Beispiel sechsmal weniger Curvibacter-Bakterien als in den Tentakeln.

Daraus schlossen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass das Nervensystem im Laufe der Evolution neben seinen sensorischen und motorischen Aufgaben auch eine steuernde Funktion für das Mikrobiom übernommen hat. „Die neuen Erkenntnisse sind auch im evolutionären Zusammenhang von immenser Bedeutung. Da die Nesseltiere im Laufe der Evolution als erste Organismen ein Nervensystem entwickelten, kann man davon ausgehen, dass sich die Interaktion von Nervensystem und Mikrobiom bereits sehr früh in der Entwicklung des vielzelligen Lebens herausbildete“, betont Bosch. Die an entwicklungsgeschichtlich ursprünglichen Organismen nachgewiesenen Prinzipien seien nicht nur für die Grundlagenforschung interessant. Sie brächten zudem die Chance mit sich, daraus grundlegende neue Erkenntnisse über die Eigenschaften des Nervensystems abzuleiten und das Gelernte in andere Anwendungen zu übertragen. Daher werde sich die weitere Erforschung des Zusammenspiels von Körper und Bakterien künftig stärker auf die neuronalen Aspekte konzentrieren, fasst Bosch die Bedeutung der Arbeit zusammen.

Originalarbeit:
René Augustin, Katja Schröder, Andrea P. Murillo Rincón, Sebastian Fraune, Friederike Anton-Erxleben, Ava-Maria Herbst, Jörg Wittlieb, Martin Schwentner, Joachim Grötzinger, Trudy M. Wassenaar, Thomas C.G. Bosch (2017): “A secreted antibacterial neuropeptide shapes the microbiome of Hydra”. Nature Communications, Published on September 26, 2017, doi:10.1038/s41467-017-00625-1

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:

Beschreibung: Die einfachen Strukturen des Süßwasserpolypen Hydra erleichtern die Erforschung des Zusammenwirkens von Nervensystem und Bakterienbesiedlung.
Video: Forschungsschwerpunkt „Kiel Life Science“, Universität Kiel

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-294-1.jpg
Bildunterschrift: Nervenzellen (grün markiert) des Süßwasserpolypen Hydra produzieren antimikrobielle Peptide und prägen dadurch das Mikrobiom des Tieres. Rot markierte Stäbchenbakterien sind an der Basis der Tentakeln zu erkennen.
Abbildung: Christoph Giez, Dr. Alexander Klimovich

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-294-2.jpg
Bildunterschrift: Fasern des Darmgewebes (rot markiert) umgeben Nervenzellen (grün markiert) des Süßwasserpolypen Hydra.
Abbildung: Christoph Giez, Dr. Alexander Klimovich

Kontakt:
Prof. Thomas Bosch,
Zoologisches Institut, CAU Kiel
Tel.: 0431-880-4170
E-Mail: tbosch@zoologie.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Sonderforschungsbereich 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“, CAU Kiel:
http://www.metaorganism-research.com

Zell- und Entwicklungsbiologie (AG Bosch), Zoologisches Institut, CAU Kiel
http://www.bosch.zoologie.uni-kiel.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de, Internet: ► www.uni-kiel.de
Twitter: ► www.twitter.com/kieluni, Facebook: ► www.facebook.com/kieluni, Instagram: ► www.instagram.com/kieluni
Text / Redaktion: ► Christian Urban

 

Nesseltiere steuern Bakterien fern

21.09.2017

CAU-Forschungsteam belegt erstmals, dass Wirtstiere die Funktion ihrer bakteriellen Symbionten steuern können

In den modernen Lebenswissenschaften zeichnet sich immer deutlicher ein Paradigmenwechsel ab: Lebewesen gelten nicht mehr als in sich geschlossene Einheiten, sondern als hochkomplexe und funktionell voneinander abhängige Organismengemeinschaften. Die Erforschung der engen Verflechtungen zwischen vielzelligem und vor allem bakteriellem Leben wird in Zukunft den Schlüssel zu einem besseren Verständnis der Lebensprozesse insgesamt und insbesondere des Übergangs von Gesundheit und Krankheit liefern. Wie die Zusammenarbeit und Kommunikation der Organismen dabei im Detail abläuft, ist gegenwärtig allerdings noch in großen Teilen unbekannt. Einen wichtigen Fortschritt bei der Entschlüsselung dieser multiorganismischen Beziehungen haben nun Forschende der Arbeitsgruppe Zell- und Entwicklungsbiologie am Zoologischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) erzielt. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Dr. Sebastian Fraune konnten erstmals belegen, dass Wirtsorganismen neben der Zusammensetzung auch die Funktion ihrer sie besiedelnden Bakteriengemeinschaften steuern können. Ihre neuartigen Ergebnisse, die sie am Beispiel des Süßwasserpolypen Hydra und seiner spezifischen bakteriellen Symbionten gewinnen konnten, veröffentlichten die CAU-Forschenden am vergangenen Montag in der jüngsten Ausgabe des Fachjournals Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Ausgangspunkt unserer Untersuchung war die Beobachtung, dass Hydra mit der Bildung bestimmter antimikrobieller Substanzen die Zusammensetzung einer arttypischen Bakterienbesiedlung auf seiner Körperoberfläche beeinflussen kann“, erklärt Dr. Cleo Pietschke, Erstautorin der Studie. Die evolutionär ursprünglichen Lebewesen bewältigen damit im Prinzip dieselbe Aufgabe, die auch höherentwickelte Organismen bei der Ausbildung eines gesunden Mikrobioms lösen müssen: Mithilfe ihres Immunsystems sorgen sie für die Ansiedlung der „richtigen“ Zusammensetzung von Bakterien und müssen zugleich nützliche Mikroorganismen darin hindern, schädlich zu wirken. Wie dieser Kolonisierungsprozess durch die Kommunikation zwischen Wirt und Bakterien unterstützt wird, stand im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit.

Ab einer bestimmten Dichte ihrer Population können Bakteriengemeinschaften in Teams agieren, um gemeinsam gewisse Funktionen zu erfüllen. Die Koordination dieser Funktionen beruht auf einem Sensor-Mechanismus, mit dem die einzelnen Bakterien mit Hilfe von Signalmolekülen die Populationsdichte insgesamt bestimmen können. Ist ein Schwellenwert erreicht, werden über diese Signalmoleküle Gene aktiviert und damit bestimmte zelluläre Funktionen reguliert. Mit diesem als Quorum-Sensing bezeichneten Prozess steuern Bakterien Funktionen wie die Besiedlung von Oberflächen oder die Produktion von Toxinen.

Das Kieler Forschungsteam konnte nun zeigen, dass der Wirtsorganismus den Quorum-Sensing-Mechanismus der Bakterien verändern kann. Die Nesseltiere wirken dabei direkt auf die bakteriellen Signalmoleküle ein und fördern so den Kolonisierungsprozess ihres eigenen Gewebes aktiv. „Wir haben festgestellt, dass Hydra nicht nur das reine Vorhandensein seiner bakteriellen Symbionten beeinflusst, sondern darüber hinaus regelrecht in ihre Funktion eingreifen kann“, erläutert Fraune, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Zell- und Entwicklungsbiologie, das Phänomen. Das Forschungsteam beschrieb erstmals detailliert, dass ein Wirt mittels Quorum-Quenching in die molekulare Kommunikation von Bakterien eingreift. Bisher gab es nur zwei andere Bespiele für solche Eingriffe eines Wirtsorganismus. Konkret wiesen die Kieler Forschenden nach, dass eine Modifikation bestimmter Signalmoleküle durch den Wirt die Ansiedlung des häufigsten bei dieser Hydrenart vorkommenden Bakteriums Curvibacter fördert.

Die CAU-Forschenden untersuchten den Einfluss des Wirtsmechanismus auf seine bakterielle Gemeinschaft, indem sie die Auswirkung eines Signalmoleküls und das vom Wirt modifizierte bakterielle Gegenstück beobachteten. Zunächst brachten sie sterile Hydren, also im Labor künstlich ohne Bakterienbesiedlung gezüchtete Tiere, mit Bakterien der Art Curvibacter in Kontakt. Es zeigte sich, dass die Bakterien sich nur schlecht ansiedelten, solange nicht modifizierte Signalmoleküle vorhanden waren. Sobald diese unter dem Einfluss des Wirtstieres modifiziert waren, besiedelten die Bakterien den Körper des Nesseltiers in einem normalen Umfang. Anschließend wiederholten die Forschenden den Versuch mit Tieren, die bereits eine Bakterienbesiedlung aufwiesen. Auch hier zeigte sich dasselbe Muster: Erst die vom Wirtstier veränderten Signalmoleküle fördern eine ausgewogene und typische Kolonisierung der Hydren durch ihre bakteriellen Symbionten. Wie sich diese am Modellorganismus des Nesseltiers gewonnenen Ergebnisse auf andere Lebewesen übertragen lassen, müssen weitere Untersuchungen zeigen. Da Hydren evolutionär ursprüngliche Tiere sind, ist es jedoch wahrscheinlich, dass dieser Mechanismus auch bei höher entwickelten Lebewesen in ähnlicher Weise angelegt ist.

„An der Schnittstelle von Grundlagenforschung und Medizin wird immer deutlicher, dass der Schlüssel zur Gesundheit in der Balance von Körper und bakteriellen Symbionten liegt. Vor uns liegt die gigantische Aufgabe, die höchst komplexen Beziehungen zwischen Wirten und Bakterien zu verstehen. Mit unseren neuen Erkenntnissen sind wir diesem Ziel ein kleines Stück nähergekommen“, gibt sich Fraune optimistisch. An der Erforschung der multiorganismischen Beziehungen von Körper und Mikroorganismen arbeiten rund 70 Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gemeinsam im Sonderforschungsbereichs 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“.

Die vorliegende Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Projektes „Host derived mechanisms controlling bacterial colonisation at the epithelial interface in the early branching metazoan Hydra (FR 3041/2-1)“ und vom Exzellenzcluster „Entzündungsforschung“ an der Universität Kiel gefördert.

Originalarbeit:
Cleo Pietschke, Christian Treitz, Sylvain Forêt, Annika Schultze, Sven Künzel, Andreas Tholey, Thomas C. G. Bosch and Sebastian Fraune: “Host modification of a bacterial quorum-sensing signal induces a phenotypic switch in bacterial symbionts”. Proceedings of the National Academy of Sciences, Published on September 18, 2017 doi: 10.1073/pnas.1706879114

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-292-1.jpg
Bildunterschrift: Der Süßwasserpolyp Hydra.
Abbildung: Dr. Sebastian Fraune

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-292-2.jpg
Bildunterschrift: Elektronenmikroskopische Aufnahme der Bakterienbesiedlung (Curvibacter sp.) auf der Oberfläche von Hydra.
Abbildung: Katja Schröder

Kontakt:
Dr. Sebastian Fraune
Zoologisches Institut, CAU Kiel
Tel.: 0431-880-4149
E-Mail: sfraune@zoologie.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Dr. Sebastian Fraune,
Wissenschaftler Mitarbeiter Zell- und Entwicklungsbiologie (AG Bosch),
Zoologisches Institut, CAU Kiel
www.bosch.zoologie.uni-kiel.de/?page_id=757

Sonderforschungsbereich 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“, CAU Kiel:
www.metaorganism-research.com

Exzellenzcluster „Entzündungsforschung“, CAU Kiel:
www.inflammation-at-interfaces.de

Auf der Suche nach den Wurzeln

06.09.2017

Forschungsteam der Uni Kiel entwickelt präzisere Methode zur Untersuchung der evolutionären Abstammung

Was sind die nächsten Verwandten des Menschen? Aus welchem gemeinsamen Ursprung ist das vielzellige Leben hervorgegangen? Wo liegt die Quelle von Krankheitskeimen, die zu verheerenden Epidemien führen können? Seit den Anfängen der modernen Evolutionsforschung spielen Fragen nach der Abstammung der Organismen und ihren Verwandtschaftsverhältnissen untereinander eine zentrale Rolle in der Biologie. Die Methoden zu ihrer Analyse sind allerdings meist seit Jahrzehnten nicht weiterentwickelt worden – anders als zum Beispiel die genetischen und molekularen Untersuchungstechniken, die immer weiter verfeinert wurden. Die Arbeitsgruppe Genomische Mikrobiologie am Institut für Allgemeine Mikrobiologie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat nun ein neues Verfahren entwickelt, das die evolutionsbiologische Forschung revolutionieren und offene Fragen in der Entwicklungsgeschichte des Lebens klären könnte. Ihre universell einsetzbare bioinformatische Methode zur Analyse der evolutionären Abstammung und Verwandtschaftsverhältnisse beschreiben die CAU-Forschenden Fernando Tria und Dr. Giddy Landan in der Fachzeitschrift Nature Ecology and Evolution.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Professorin Tal Dagan, Mitglied im evolutionsbiologischen Forschungszentrum „Kiel Evolution Center“ (KEC) an der CAU, nennt die neu entwickelte Methode „Minimal Ancestor Deviation“ (Deutsch: „Minimale Abweichung vom Vorfahren“, MAD). Sie ist in der Lage, auf Grundlage verschiedener Daten aus der stammesgeschichtlichen Entwicklung und ohne hypothetische Annahmen über die Verwandtschaftsbeziehungen der beteiligten Lebewesen ihren gemeinsamen evolutionären Ursprung mit großer Präzision zu berechnen. Mit vergleichsweise geringem Aufwand erreicht MAD eine bisher unerreichte Präzision: So ließ sich mit über 70-prozentiger Genauigkeit der evolutionäre Ursprung einer Gruppe von Organismen bestimmen. „Unser Verfahren beruht auf einem mathematischen Ansatz, der bestimmte Störfaktoren kompensieren kann, die bisher für große Ungenauigkeit in der Untersuchung von entwicklungsgeschichtlichen Stammbäumen sorgten“, erklärt Fernando Tria, Erstautor der Studie und Doktorand in der Arbeitsgruppe Genomische Mikrobiologie an der CAU.

Die Erforschung der Abstammung war bisher mit verschiedenen grundlegenden Problemen verbunden: Einerseits basierten einige der verwendeten Verfahren zum Beispiel auf der Annahme, dass Evolution in geregelten zeitlichen Intervallen abläuft – also zwischen den Entwicklungssprüngen immer exakt gleiche Zeitabstände liegen müssen. Je stärker die tatsächliche evolutionäre Entwicklungsrate von dieser theoretischen Annahme abweicht, desto ungenauer wurden bislang die Rekonstruktionen. Andererseits verlangten bestimmte Ansätze zur Bestimmung des evolutionären Ursprungs eine gewisse Vorkenntnis der Abstammungsverhältnisse der untersuchten Organismen, die in vielen Fällen aber nicht zur Verfügung steht.

Hier schlagen die Kieler Forschenden einen neuen Ansatz vor: Die MAD-Methode zielt darauf ab, den gemeinsamen Vorfahren zu bestimmen, von dem alle Lebewesen eines Stammbaums mit unbekannter Wurzel abstammen. Dazu analysiert MAD die Länge der Stammbaum-Äste; der Abstand zwischen zwei Lebewesen gibt Auskunft über ihr Verwandtschaftsverhältnis. Je näher sie beieinander liegen, desto enger sind sie voraussichtlich verwandt. Aus der Analyse aller beteiligten Organismenpaare kann MAD die Position des gemeinsamen Vorfahren im Stammbaum berechnen. Diese Analyse aller Organismenpaare bildet den Schlüssel, um die bislang vorherrschenden Störfaktoren in der Abstammungsuntersuchung zu umgehen. Auf diesem Weg erzielt MAD eine bislang nicht erreichte Präzision.

Um diese Genauigkeit zu belegen, testete das Kieler Forschungsteam um Gruppenleiterin Dagan die MAD-Methode an bereits gut untersuchten evolutionären Stammbäumen, in denen der jeweilige Ursprungsorganismus als bewiesen gelten kann. Dazu nutzten sie rund 1500 Beispiel-Stammbäume, die sie aus den Proteinsequenzen von 31 verschiedenen Organismen rekonstruiert hatten. Im Vergleich mit den zwei gängigsten Rekonstruktionsverfahren lieferte MAD mit einer Genauigkeit von über 70 Prozent mit Abstand die besten Ergebnisse. „Unsere hochpräzise Methode hat das Potenzial, in der Evolutionsbiologie seit langem diskutierte Theorien zu entscheidenden Abstammungsfragen in der Entwicklung des Lebens definitiv zu beantworten“, zeigt sich Gruppenleiterin Tal Dagan optimistisch. In Zukunft könnte das Kieler Forschungsteam zum Beispiel dazu beitragen, den umstrittenen Ursprung des vielzelligen Lebens zu klären. „Faszinierend ist darüber hinaus, dass unser Verfahren tatsächlich universell einsetzbar ist. Von der Herkunft und Entwicklung von Sprachen bis hin zur Evolution von Krankheitserregern können wir damit völlig verschiedene Typen von Abstammungsgeschichten rekonstruieren“, so Dagan weiter.

Die Forschungsarbeit wurde im Rahmen des Projekts EVOLATERAL vom Europäischen Forschungsrat (ERC) und dem CAPES-Programm der brasilianischen Regierung im Rahmen des internationalen Mobilitätsprogramms „Science without Borders“ unterstützt.

Originalarbeit:
Fernando Tria, Giddy Landan and Tal Dagan: “Phylogenetic rooting using minimal ancestor deviation”. Nature Ecology and Evolution, Published on June 19, 2017, doi:10.1038/s41559-017-0193

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:
www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-272-1.jpg
Bildunterschrift: Dr. Giddy Landan, Fernando Tria und Prof. Tal Dagan (von links nach rechts) veranschaulichen die Bestimmung des Ursprungs in einem evolutionären Stammbaum. Foto: Ryszard Soluch

Kontakt:
Prof. Tal Dagan
Genomische Mikrobiologie
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-5712
E-Mail:tdagan@ifam.uni-kiel.de

Fernando Tria
Genomische Mikrobiologie
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-5744
E-Mail:ftria@ifam.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Genomische Mikrobiologie (AG Dagan),
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU Kiel:
www.mikrobio.uni-kiel.de/de/ag-dagan

Forschungszentrum „Kiel Evolution Center“, CAU Kiel:
www.kec.uni-kiel.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de, Internet: ► www.uni-kiel.de
Twitter: ► www.twitter.com/kieluni, Facebook: ► www.facebook.com/kieluni, Instagram: ► www.instagram.com/kieluni
Text / Redaktion: ► Christian Urban

Entwicklungssprünge auf dem Weg zur Pflanze

Zellen der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum mit markierten Zellorganellen: Der Zellkern ist grün und die Chloroplasten sind rot hervorgehoben. Abbildung: Shiri Graff van Creveld, The Weizmann Institute of Science

10.07.2017

Deutsch-israelisches Forschungsteam unter Leitung der Uni Kiel entdeckt evolutionären Ursprung der pflanzlichen Redox-Regulation

In der Entwicklung des höheren Lebens im Verlaufe vieler Millionen Jahre hat es immer wieder bedeutende und vergleichsweise plötzliche Entwicklungssprünge gegeben. In ihrer Folge erwarben Lebewesen neue Eigenschaften und eroberten zusätzliche Lebensräume. Dabei eigneten sie sich diese Fähigkeiten zum Teil aus ihren Vorläufer-Organismen an: Die Plastiden der Pflanzen, der Ort an dem Photosynthese stattfindet, waren beispielsweise ursprünglich eigenständige, einzellige Lebewesen. Die entwicklungsgeschichtliche Verwandlung von Cyanobakterien in solche Zellorganellen, die Endosymbiose, ermöglichte der Pflanzenzelle die Fähigkeit zur Photosynthese und damit zur Gewinnung von Energie aus Sonnenlicht. Offenbar auf vergleichbarem Weg ist eine ähnlich wichtige, damit zusammenhängende Eigenschaft der Pflanzen und anderer höherer Lebewesen entstanden: Ein internationales Forschungsteam vom Institut für Allgemeine Mikrobiologie an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und vom israelischen Weizmann Institute of Science fand Hinweise, dass die Redox-Regulation im pflanzlichen Stoffwechsel ihren Ursprung in zwei aufeinanderfolgenden Plastiden-Endosymbiose-Ereignissen hatte. Die Ergebnisse der vom Kieler Exzellenzcluster „Ozean der Zukunft“ geförderten Arbeit veröffentlichte das internationale Forschungsteam kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature Plants.

Die Entwicklung der Plastide ist von grundlegender Bedeutung in der Evolution der Pflanzen. Global betrachtet brachten sie die sogenannte Primärproduktion in Schwung, lieferten also Sauerstoff und Nahrungsgrundlage für alles Leben auf der Erde. Für den neu erlangten Vorteil der Energiegewinnung durch Photosynthese zahlte die Zelle gewissermaßen einen evolutionären Preis. Sie musste auf die Bildung hochreaktiver und potenziell schädlicher Nebenprodukte reagieren, der sogenannten Radikale. Als Antwort darauf entwickelte die Zelle die Fähigkeit, freie Radikale aufzuspüren und diese Information zu nutzen, um ihre Stoffwechselaktivitäten über einen einzigartigen regulatorischen Mechanismus, die Redox-Regulation, zu kontrollieren. Da gerade Sauerstoff dazu neigt, diese problematischen Moleküle zu formen, gewann die Redox-Regulation mit der erhöhten Verfügbarkeit von Sauerstoff in der Erdvergangenheit an Bedeutung - einem Zeitraum, der mit dem fundamentalen Entwicklungssprung hin zum vielzelligen Leben verbunden wird. Um den evolutionären Ursprung der Redox-Regulation zu ergründen, verglich Dr. Christian Wöhle, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Genomische Mikrobiologie der CAU, das Netzwerk Redox-regulierter Proteine der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum mit Lebewesen verschiedener anderer Stämme. Als entwicklungsgeschichtlich sehr einfache Lebensform trägt die Kieselalge bereits Züge höher entwickelter Organismen; ebenso wie Pflanzen ist sie zum Beispiel in der Lage, Photosynthese zu betreiben. So lässt dieser Modellorganismus Rückschlüsse auf höher entwickelte, pflanzliche und tierische Lebensformen zu.

Gemeinsam mit ihren internationalen Kolleginnen und Kollegen erkannten die Kieler Forschenden, dass die Entwicklung der Redox-Regulation höherer Lebewesen zeitlich mit dem Ablauf einer mehrstufigen Plastiden-Endosymbiose zusammenfiel. Der Vergleich mit den Proteinsequenzen verschiedener Vorgängerorganismen zeigte, dass es bei den Vorfahren der Kieselalgen zeitgleich mit der Aufnahme der ersten Plastide plötzlich zu einem vermehrten Vorkommen von Redox-regulierten Proteinen kam. Diese Proteine verändern ihre biochemischen Eigenschaften, wenn sie mit Radikalen in Kontakt kommen. So erlauben sie dem Organismus, seinen Stoffwechsel auf veränderliche Umweltbedingungen einzustellen. „Wir konnten beobachten, dass sich in der Entwicklung komplexerer pflanzlicher Organismen die für den Stoffwechsel verantwortlichen Proteine immer dann stark veränderten, wenn Zellorganellen hinzukamen“, betont Wöhle, Erstautor der Studie.

Der Mechanismus, mit dem die Kieselalgen die Fähigkeit zur Redox-Regulation erwarben, besteht in einem Übergang der genetischen Informationen aus den nacheinander erworbenen Plastiden in das Genom des aufnehmenden Organismus. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler stellten fest, dass mehr als die Hälfte der an der Redox-Regulation beteiligten Gene aus einzelligen Organismen, in diesem Fall Cyanobakterien, stammen. Diese Beobachtung untermauert die Theorie des Forschungsteams, dass die Fähigkeit zur Redox-Regulation der Zelle auf dem Wege des endosymbiotischen Gentransfers zustande gekommen ist und damit den Grundstein zur Entwicklung höherer Pflanzen legte. „Unsere Ergebnisse erlauben einen Einblick in die evolutionäre Anpassung des Lebens an die photosynthetische Energiegewinnung und die damit notwendig gewordenen erweiterten Regulationsmechanismen der Pflanzenzelle. Sie helfen uns dabei, die Reaktion verschiedener Organismen an eine langfristige Veränderung ihrer Lebensbedingungen besser zu verstehen“, fasst Co-Autorin Professorin Tal Dagan, Leiterin der Arbeitsgruppe Genomische Mikrobiologie an der CAU und Mitglied im „Kiel Evolution Center“ (KEC), zusammen.

Originalarbeit:
Christian Wöhle, Tal Dagan, Giddy Landan, Assaf Vardi & Shilo Rosenwasser “Expansion of the redox-sensitive proteome coincides with the plastid endosymbiosis”, Nature Plants, Published on May 15, 2017 DOI:10.1038/nplants.2017.66

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-225-1.jpg
Bildunterschrift: Zellen der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum mit markierten Zellorganellen: Der Zellkern ist grün und die Chloroplasten sind rot hervorgehoben.
Abbildung: Shiri Graff van Creveld, The Weizmann Institute of Science

Kontakt:
Prof. Tal Dagan
Genomische Mikrobiologie,
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-57122
E-Mail: tdagan@ifam.uni-kiel.de

Dr. Christian Wöhle
Genomische Mikrobiologie,
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-5744
E-Mail: cwoehle@ifam.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Genomische Mikrobiologie (AG Dagan),
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
www.mikrobio.uni-kiel.de/de/ag-dagan

Exzellenzcluster “Ozean der Zukunft”, CAU Kiel:
www.futureocean.org

Forschungszentrum „Kiel Evolution Center“, CAU Kiel:
www.kec.uni-kiel.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de, Internet: ► www.uni-kiel.de
Twitter: ► www.twitter.com/kieluni, Facebook: ► www.facebook.com/kieluni, Instagram: ► www.instagram.com/kieluni
Text / Redaktion: ► Christian Urban

Neuer Schutz vor verbreiteter Zuckerrüben-Krankheit

06.06.2017

Die Ernährungssicherheit hängt angesichts des rasanten Anstiegs der Weltbevölkerung künftig von wachsenden landwirtschaftlichen Erträgen ab. Seit jeher ist der Pflanzenbau allerdings von verschiedenen Pflanzenschädlingen bedroht, die schlimmstenfalls für umfangreiche Ernteausfälle sorgen können. Die Zuckerrübe spielt in Europa und speziell in Norddeutschland eine wichtige wirtschaftliche Rolle. Ihr Anbau ist jedoch immer stärker durch das Auftreten einer als Rizomania bezeichneten Pflanzenkrankheit bedroht. Das durch bodenlebende Pilze übertragene Virus ist weltweit für bis zu 80 Prozent der Ertragsverluste beim Zuckerrübenanbau verantwortlich. Rizomania lässt sich nicht mit herkömmlichen Schutzmethoden, zum Beispiel durch Pflanzenschutzmittel, bekämpfen. 

Eine seit Jahrzehnten eingesetzte Strategie gegen die dadurch verursachten Ertragseinbußen sind sogenannte Resistenzzüchtungen der Nutzpflanzen: In der Landwirtschaft kommen aktuell vor allem Zuckerrübensorten zum Einsatz, in die eine Resistenz gegenüber Rizomania gezüchtet wurde. Dem Krankheitserreger gelingt es aber in den letzten Jahren immer öfter, den in diesen Rüben vorhandenen Resistenzmechanismus zu überwinden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern vom Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gelang es nun gemeinsam mit Forschenden der Universität Bielefeld und weiteren internationalen Expertinnen und Experten, ein in Wildpopulationen der Zuckerrübe vorkommendes Rizomania-Resistenzgen zu identifizieren, das für eine alternative Resistenzbildung verantwortlich ist. Die neu erlangte Kenntnis ihres genetischen Ursprungs macht diese zweite Resistenz nun gezielt für die Pflanzenzüchtung nutzbar. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden heute in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature Communications.

Die zweite Resistenz gegen das Virus war bereits bekannt und ist auch in manchen bestehenden Rübensorten vorhanden. Daher konnte auch beobachtet werden, dass das Virus diese zweite Art der Resistenz bisher nicht überwinden konnte. Die Rübensorten, die diesen alternativen Schutz aufweisen, bringen allerdings in der Regel weniger Ertrag als die gängigen Sorten. Daher werden sie in der Landwirtschaft kaum genutzt. Bislang unbekannt war allerdings, welches Gen den zweiten Resistenzmechanismus steuert. Die Identifizierung des verantwortlichen Gens erlaubt es nun, die zweite Resistenz gezielt für die Sortenzüchtung zu nutzen. Für die Genidentifizierung nutzen die Forschenden nicht wie sonst üblich im Labor gezüchtete, künstliche Populationen der Rübe. Stattdessen widmeten sie sich dem Genom, also den gesamten genetischen Informationen, einer in Dänemark vorkommenden Wildpopulation der Zuckerrübe. Ihre Unempfindlichkeit gegenüber Rizomania war den Forschenden bereits bekannt. 

Sie konzentrierten sich auf ein spezielles Wildrübenvorkommen, das in der Küstenregion um Kalundborg auf der dänischen Insel Seeland vorkommt. "Interessanterweise haben wir festgestellt, dass resistente und anfällige Wildrüben dort auf einer Strecke von 15 Kilometern nebeneinander vorkommen", sagt Dr. Gina Capistrano-Gossmann vom Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung an der CAU. "Resistente Pflanzen haben dort also keinen Vorteil gegenüber anfälligen Pflanzen, da der Boden nicht mit dem Rizomania-Virus infiziert ist", erklärt Capistrano-Gossmann, die Erstautorin der Studie. 

Um die genetische Grundlage der Resistenzbildung in diesen Wildrüben zu entschlüsseln, setzte das Forschungsteam einen innovativen Ansatz zur Gewinnung genetischer Ressourcen aus natürlichen Wildpflanzenpopulationen ein. "Durch die Kombination von Sequenzvergleichen von wenigen resistenten und anfälligen Wildrüben mit einer Assoziationsanalyse in der gesamten Wildrübenpopulation konnte die Lage des bislang unbekannten Resistenz-Gens im Genom eingegrenzt werden", sagt Professor Bernd Weisshaar von der Universität Bielefeld, der die bioinformatische Auswertung der Studie leitete. Die Kenntnis der Gen-Sequenz, die für die Resistenzbildung verantwortlich ist, erlaubt es nun direkt zwischen resistenten und anfälligen Jungpflanzen zu unterscheiden. Außerdem ist es möglich, die von dieser Sequenz kontrollierte Resistenzreaktion der Zuckerrüben auf molekularer Ebene zu untersuchen. 

Die neuen Erkenntnisse der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler liefern eine Basis für weitere Forschungsarbeiten und ebenso für die praktische Nutzung in der Zuckerrübenzüchtung. In Zukunft könnten der Landwirtschaft damit Rübensorten zur Verfügung stehen, die zuverlässig unempfindlich gegenüber Rizomania sind. Der Ursprung dieser Resistenz in den Wildpflanzen unterstreicht nicht zuletzt, welches Potenzial in der Bewahrung der natürlichen Biodiversität und ihres genetischen Pools steckt. Dieses bleibe nur durch den Schutz der Wildpflanzenvorkommen nutzbar, die es also zum Beispiel in Schutzgebieten zu erhalten gelte, resümieren die Forschenden.

Das Forschungsprojekt wurde durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) und das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Originalpublikation:
Gina Capistrano-Gossmann, David Ries, Daniela Holtgräwe, Andre Minoche, Thomas Kraft, Sebastian Frerichmann, Thomas Rosleff Sörensen, Juliane Dohm, Irene Gonzalez, Markus Schilhabel, Mark Varrelmann, Hendrik Tschoep, Hubert Uphoff, Katia Schütze, Dietrich Borchardt, Otto Toerjek, Wolfgang Mechelke, Jens Lein, Axel Schechert, Lothar Frese, Heinz Himmelbauer, Bernd Weisshaar, and Friedrich Kopisch-Obuch. "Crop wild relative populations of Beta vulgaris allow direct mapping of agronomically important genes". Nature Communications, Published on June 6, 2017, as DOI:10.1038/NCOMMS15708

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:
Bitte beachten Sie dabei unsere Hinweise zur Verwendung

Zum Vergrößern anklicken

Von Rizomania befallene Zuckerrüben (links und Mitte) und ein gesundes Exemplar im Vergleich. 
Foto: Dr. Bernd Holtschulte
 

Foto zum Herunterladen


Zum Vergrößern anklicken

Rizomania-infizierte Pflanzen zeigen eine typische Blattvergilbung (Mittelreihe). Die resistenten Zuckerrüben zeigen dagegen keine Symptome. 
Foto: Dr. Bernd Holtschulte
 

Foto zum Herunterladen

 


Zum Vergrößern anklicken

An der dänischen Küste in der Region Kalundborg wachsen wilde Rüben, deren Gene das Forschungsteam nun analysierte. Foto: Dr. Friedrich Kopisch-Obuch
 

Foto zum Herunterladen


Zum Vergrößern anklicken

Dr. Gina Capistrano-Gossmann, die Erstautorin der Studie, untersucht ein natürliches Rübenvorkommen. Foto: Dr. Gina Capistrano-Gossmann
 

Foto zum Herunterladen

 

Kontakt:
Dr. Gina Capistrano-Gossmann
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
Tel.: 0431-880-3210
E-Mail: g.capistrano@plantbreeding.uni-kiel.de

Prof. Dr. Bernd Weisshaar
Lehrstuhl für Genomforschung, Universität Bielefeld
Tel.: 0521-1068720
E-Mail: bernd.weisshaar@uni-bielefeld.de

Weitere Informationen:
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
www.plantbreeding.uni-kiel.de/de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de, Internet: www.uni-kiel.de
Twitter: www.twitter.com/kieluni, Facebook: www.facebook.com/kieluni, Instagram: www.instagram.com/kieluni 
Text / Redaktion: Christian Urban

Neuer Ansatz in der Antibiotikatherapie treibt Krankheitskeime in die Sackgasse

01.06.2017

Kieler Forschungsteam nutzt evolutionäres Prinzip zur Entwicklung nachhaltiger Behandlungsformen in der Antibiotikatherapie

Die Weltgesundheitsorganisation WHO warnt immer eindringlicher vor einer dramatischen Antibiotikakrise. Sie befürchtet, dass eine post-antibiotische Ära kurz bevorsteht: Bakterielle Infektionen, die sich früher gut bekämpfen ließen, wären dann nicht mehr behandelbar. Antibiotika-resistente Krankheitskeime könnten laut Vorhersage der WHO binnen weniger Jahre zu den häufigsten Verursachern nicht-natürlicher Todesfälle werden. Diese dramatische Gefahr für die öffentliche Gesundheit beruht auf der schnellen Evolution von Antibiotika-Resistenzen, die das Spektrum wirksamer antibakterieller Medikamente weiter schrumpfen lässt. Die lebenswissenschaftliche Forschung steht vor der Herausforderung, dieser Gefahr mit neuen Behandlungsansätzen möglichst schnell begegnen zu müssen. Neben der Entwicklung neuer antibiotischer Wirkstoffe besteht eine zentrale Strategie der Forschenden darin, die Wirksamkeit der vorhandenen Antibiotika durch neue Therapieansätze zu verbessern.

Die Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) nutzt Erkenntnisse aus der Evolutionsmedizin zur Entwicklung effizienterer Behandlungsansätze. Als Teil des neu gegründeten Kiel Evolution Center (KEC) der CAU untersuchen die Forschenden unter der Leitung von Professor Hinrich Schulenburg, wie sich verschiedene Formen der Antibiotika-Gabe auf die evolutionäre Anpassung der Erreger auswirken. In einer nun gemeinsam mit internationalen Kolleginnen und Kollegen im Fachmagazin Molecular Biology and Evolution veröffentlichten Studie konnten sie belegen, dass beim Krankheitskeim Pseudomonas aeruginosa die Evolution von Resistenz gegen bestimmte Antibiotika gleichzeitig zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber anderen Wirkstoffen führt. Dieses Konzept der sogenannten „kollateralen Sensitivität“ eröffnet neue Perspektiven in der Bekämpfung multiresistenter Krankheitserreger.

Camilo Barbosa, Doktorand in Schulenburgs Arbeitsgruppe, untersuchte gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen, welche Antibiotika nach Resistenzbildung zu wechselseitigen Sensitivitäten führen können. Dazu führten sie im Labor ein Evolutionsexperiment mit dem Erreger Pseudomonas aeruginosa durch. Dieses Bakterium ist häufig multiresistent und besonders für immungeschwächte Patientinnen und Patienten bedrohlich. Im Experiment wurde der Erreger in 12-stündigen Intervallen immer höheren Dosierungen von acht verschiedenen Antibiotika ausgesetzt. Als Konsequenz entwickelte das Bakterium jeweils eine Resistenz gegenüber den verschiedenen Wirkstoffen. Im nächsten Schritt testeten die Forschenden, wie sich die resistenten Erreger gegenüber anderen Wirkstoffen verhielten, mit denen sie bis dahin nicht in Kontakt gekommen waren. So konnten sie feststellen, welche Resistenzbildungen zugleich eine Empfindlichkeit gegen einen anderen Wirkstoff mit sich brachten.

Als besonders effektiv stellte sich die Kombination von Antibiotika heraus, die unterschiedliche Wirkmechanismen aufweisen – insbesondere aus den Klassen der Aminoglykoside und Penicilline. Die Untersuchung der genetischen Grundlagen dieser Resistenzbildungen zeigte, dass drei spezifische Gene des Bakteriums dafür sorgten, dass es zugleich resistent und anfällig wird. „Durch den kombinierten oder abwechselnden Einsatz von Antibiotika mit wechselseitigen Sensitivitäten lassen sich die Keime potentiell in eine evolutionäre Sackgasse treiben: Sobald sie gegen das eine resistent werden, sind sie empfindlich gegen das andere und umgekehrt“, fasst Schulenburg die Bedeutung der vorliegenden Arbeit zusammen. Diese neuen Ergebnisse aus dem Labor machten Hoffnung: Eine gezielte Kombination der noch wirksamen Antibiotika könnte zumindest für eine Atempause im Kampf gegen die sehr problematischen Resistenzbildungen sorgen, so Schulenburg weiter.

Originalarbeit:
Camilo Barbosa, Vincent Trebosc, Christian Kemmer, Philip Rosenstiel, Robert Beardmore, Hinrich Schulenburg and Gunther Jansen (2017): Alternative Evolutionary Paths to Bacterial Antibiotic Resistance Cause Distinct Collateral Effects. Molecular Biology and Evolution
doi.org/10.1093/molbev/msx158

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-171-1.jpg
Bildunterschrift: Der Krankheitserreger Pseudomonas aeruginosa während des Evolutionsexperiments im Labor.
Abbildung: Camilo Barbosa/Dr. Philipp Dirksen

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-171-2.jpg
Bildunterschrift: Doktorand Camilo Barbosa untersuchte den Effekt der „kollateralen Sensitivität“, der antibiotikaresistente Bakterien behandelbar machen kann.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-171-3.jpg
Bildunterschrift: Das Forschungsteam untersuchte insgesamt 180 Bakterienpopulationen des Erregers Pseudomonas aeruginosa.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-171-4.jpg
Bildunterschrift: Die Bakterien wurden resistent gegen bestimmte Antibiotika, zugleich aber empfindlich gegenüber anderen Wirkstoffen.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

Kontakt:
Prof. Hinrich Schulenburg
Sprecher „Kiel Evolution Center“ (KEC), CAU Kiel
Tel.: 0431-880-4141
E-Mail: hschulenburg@zoologie.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Forschungszentrum „Kiel Evolution Center“, CAU Kiel:
www.kec.uni-kiel.de

Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik, Zoologisches Institut, CAU Kiel:
www.uni-kiel.de/zoologie/evoecogen

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de, Internet: ► www.uni-kiel.de
Twitter: ► www.twitter.com/kieluni, Facebook: ► www.facebook.com/kieluni, Instagram: ► www.instagram.com/kieluni
Text / Redaktion: ► Christian Urban

Doppelter Fraßschutz unterstützt Pflanzen beim Arterhalt

05.05.2017

CAU-Forschende entdecken neue Abwehrstrategie im heimischen Beinwell

Verschiedene heimische Pflanzen bilden zum Schutz vor dem Gefressenwerden natürliche Gifte aus der Gruppe der sogenannten Pyrrolizidin-Alkaloide. Am bekanntesten ist das Jakobskreuzkraut, dessen massenhafte Verbreitung in Schleswig-Holstein ein Vergiftungsrisiko vor allem für Weidetiere birgt. Pyrrolizidin-Alkaloide spielen aber auch bei der Kontamination von Lebensmitteln eine Rolle, zum Beispiel in Kräutertees oder verschiedenen Honigsorten. Forschende aus der Arbeitsgruppe Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution am Botanischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben nun mit dem Beinwell (Symphytum officinale) eine andere heimische Pflanze untersucht, die ebenfalls die Alkaloide produziert. Aktuell beginnt in Schleswig-Holstein die Blütezeit des Beinwells, der zum Problem kontaminierter Lebensmittel beitragen kann. Unter der Leitung von Professor Dietrich Ober beschäftigte sich Lars Hendrik Kruse im Rahmen seiner Doktorarbeit mit dem Mechanismus, der im traditionell als Heilpflanze bekannten Beinwell zur Giftbildung führt. Die Forschungsgruppe erkannte dabei, dass die Pflanze in der Nähe des Blütenstandes große Mengen der giftigen Pyrrolizidin-Alkaloide bildet. Ihre Ergebnisse publizierten sie jüngst in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachjournals Plant Physiology.

Aus früheren Untersuchungen war bereits bekannt, dass der Beinwell in der Wurzel Pyrrolizidin-Alkaloide bildet und diese in die oberirdischen Pflanzenteile wie Blätter und Blüten einlagert. „Wir haben entdeckt, dass die Pflanze kurz vor Beginn der Blüte auch einen zweiten Ort zur Bildung der giftigen Alkaloide aktivieren kann“, erklärt Ober, Professor für Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution, die Entdeckung seines Teams. Bislang war nicht bekannt, dass der Beinwell auch in kleinen, unscheinbaren Blättern direkt unterhalb des Blütenstandes das Gift bilden kann. 

Die zusätzliche Giftproduktion geschieht kurz bevor die Pflanze erblüht, so dass die dort produzierten Alkaloide auf direktem Weg in die sich öffnenden Blüten gelangen können. Daraus schlossen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass die zusätzliche Bildung der Alkaloide direkt mit dem Reproduktionsmechanismus zusammenhängt. „Die Pflanze aktiviert diese alternative Giftbildung offenbar, um ihre Blüten und damit ihre für die Fortpflanzung und das Überleben der Art unverzichtbaren Bestandteile optimal zu schützen“, so Lars Hendrik Kruse. Der Beinwell verfügt also über eine doppelte Abwehrstrategie, die zum einen der gesamten Pflanze einen „Basisschutz“ gewährt, die aber andererseits die Blüten während der Blütezeit zusätzlich gezielt vor Fraßfeinden schützt.

Mit den nun vorliegenden Erkenntnissen trägt das Kieler Forschungsteam dazu bei, die Stoffwechselprozesse, die zur Bildung der giftigen Pyrrolizidin-Alkaloide führen, besser zu verstehen. Die Forschungsergebnisse können damit Verbraucherinnen und Verbraucher künftig bei einer verbesserten Risikoabschätzung unterstützen.

Originalarbeit:
Lars H. Kruse, Thomas Stegemann, Christian Sievert, and Dietrich Ober: 
Identification of a Second Site of Pyrrolizidine Alkaloid Biosynthesis in Comfrey to Boost Plant Defense in Floral Stage, Plant Physiology 2017 174: 47-55.; dx.doi.org/10.1104/pp.17.00265

Bildmaterial steht zum Download bereit:
www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-140-1.jpg
Bildunterschrift: Im Mai beginnt die Blütezeit des auch in Schleswig-Holstein häufig vorkommenden Beinwells (Symphytum officinale).
Foto: Dietrich Ober

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-140-2.jpg
Bildunterschrift: Im Labor untersuchte das Kieler Forschungsteam die Stoffwechselprozesse, die der Giftbildung des Beinwells zugrunde liegen.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-140-3.jpg
Bildunterschrift: Blattoberfläche einer Beinwell-Pflanze: Sie bildet nicht nur in den Wurzeln, sondern auch in bestimmten Blättern direkt unterhalb des Blütenstandes giftige Alkaloide.
Foto: Christian Urban, Universität Kiel

Kontakt:
Prof. Dietrich Ober
Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution
Botanisches Institut und botanischer Garten, CAU
Telefon: 0431 880-4299
E-Mail: dober@bot.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution (AG Ober), 
Botanisches Institut und botanischer Garten, CAU
http://www.ober.botanik.uni-kiel.de/

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Text: Christian Urban
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de, Internet: www.uni-kiel.de, Twitter: www.twitter.com/kieluni, Facebook: www.facebook.com/kieluni, Instagram: www.instagram.com/kieluni

Neue Züchtungstechniken für höhere Rapserträge

04.05.2017

Kieler Forschungsteam ermöglicht präzise Veränderung des Rapsgenoms durch „Genome Editing“

Neue Methoden zur gezielten Veränderung der Erbinformationen machen unter dem Begriff „Genome Editing“ seit einigen Jahren Schlagzeilen. Zahlreiche Beispiele belegen die Anwendungsmöglichkeiten bei unterschiedlichen Lebewesen wie Mikroorganismen, Tieren, Pflanzen und sogar beim Menschen. Die Anwendung bei Nutzpflanzen fasst man auch unter dem Begriff „Neue Züchtungstechniken“ zusammen. Inzwischen gibt es zahlreiche wissenschaftliche Arbeiten über die Veränderungen bei Modell- und auch bei Nutzpflanzen wie Weizen, Reis oder Soja. Raps ist nach der Sojabohne die zweitwichtigste Ölpflanze der Welt und die einzige Ölpflanze von Bedeutung in unseren Breiten. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es nun erstmals gelungen, Ölraps gezielt mit Hilfe einer solchen „Genome Editing“-Methode, der sogenannten CRISPR-Cas-Technologie, zu verändern und die Übertragung auf nachfolgende Generationen nachzuweisen. Die Arbeit wurde kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Plant Physiology veröffentlicht.

Die CRISPR-Cas-Technologie ermöglicht es, eine präzise Veränderung an einem genau definierten Sequenzabschnitt innerhalb eines Genoms vorzunehmen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Gen mit einer unerwünschten Funktion ausgeschaltet werden. Der Raps bereitet besondere Probleme, weil von jedem seiner Gene zwischen zwei und sechs Kopien vorliegen. Man spricht hier von einer polyploiden Pflanze. Diese Genkopien gleichzeitig auszuschalten, war mit herkömmlichen Methoden genetischer Veränderungen bisher unmöglich. Um eine solche sogenannte Mutagenese beim polyploiden Raps zu erreichen, sind also chemische Mutagenese oder Bestrahlung nicht nutzbar. Dem Kieler Forschungsteam am Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung unter der Leitung von Professor Christian Jung ist es nun gelungen, alle Kopien eines Gens auszuschalten, das die Platzfestigkeit der Rapsschoten kontrolliert. Dies eröffnet neue Perspektiven für die Züchtung von Rapssorten, deren Schoten nicht schon vor oder während der Ernte platzen, was erhebliche Ertragssteigerungen erlauben könnte.

„Wir haben die einmalige Möglichkeit, unsere Pflanzen im Vergleich mit anderen Rapsmutanten anzubauen, die durch zufällige chemische Mutagenese erzeugt worden sind“, sagt Janina Braatz, die als Doktorandin unter der Leitung von Dr. Hans Harloff die CRISPR-Cas Versuche durchgeführt hat. „Während die CRISPR-Cas Pflanzen nur über je eine Mutation an einer präzise vorhergesagten Stelle im Genom verfügen, haben in den herkömmlich mutagenisierten Pflanzen etwa einhunderttausend Mutationen stattgefunden, die bis auf eine einzige unbekannt sind. Derartige Pflanzen haben einen deutlichen Fitnessnachteil und sind nicht für die Sortenzüchtung direkt verwendbar“, so Braatz weiter.

Es wird also erwartet, dass die CRISPR-Cas modifizierten Pflanzen unter Feldbedingungen eine deutlich bessere Leistung zeigen, als die Pflanzen, die durch chemische Mutagenese entstanden sind. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass polyploide Nutzpflanzen mittels „Genome Editing“ hocheffizient genetisch verändert werden können. Auf diese Weise eröffnen sich völlig neue Perspektiven für die gezielte Veränderung von Pflanzengenomen und somit für die züchterische Verbesserung und damit langfristig für Ertragssteigerungen bei Nutzpflanzen.

Das Forschungsprojekt wurde von der Stiftung Schleswig-Holsteinische Landschaft gefördert.

Originalpublikation:
Janina Braatz, Hans-Joachim Harloff, Martin Mascher, Nils Stein, Axel Himmelbach and Christian Jung. “CRISPR-Cas9 targeted mutagenesis leads to simultaneous modification of different homoeologous gene copies in polyploid oilseed rape (Brassica napus L.)”. Plant Physiology Preview. Published on April 18, 2017, as
DOI:10.1104/pp.17.00426

Es stehen Fotos zum Download bereit:
www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-137-1.jpg
Bildunterschrift: Regeneration von Rapssprossen in der Petrischale nach Crispr-Cas Mutagenese.
Foto: Janina Braatz

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-137-2.jpg
Bildunterschrift: Blühende Rapspflanzen im Feld.
Foto: Janina Braatz

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-137-3.jpg
Bildunterschrift: Blühende Rapspflanze, deren ALC Gene durch Crispr-Cas Mutagenese gezielt verändert worden sind.
Foto: Janina Braatz

Kontakt:
Prof. Dr. Christian Jung
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
Tel: 0431-880-7364
E-Mail: c.jung@plantbreeding.uni-kiel.de

MSc Janina Braatz
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
Tel: 0431-880-3345
E-Mail: j.braatz@plantbreeding.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, CAU Kiel
www.plantbreeding.uni-kiel.de/de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de, Internet: ► www.uni-kiel.de
Twitter: ► www.twitter.com/kieluni, Facebook: ► www.facebook.com/kieluni, Instagram: ► www.instagram.com/kieluni
Text / Redaktion: ► Christian Urban

 

Genom der alten Kulturpflanze Quinoa entschlüsselt

Die tropische Pflanze Quinoa hat ihre Blühzeit an kurze Tage angepasst. Kieler Forschende wollen gemeinsam mit einer Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter anderem von der King Abdullah University (Saudi Arabien) die Genvarianten suchen, die ein Erblühen bei langen Tagen ermöglichen. Copyright: Linda Polik

16.02.2017

Quinoa ist eine der ältesten Kulturpflanzen. Sie stammt aus der Andenregion und wurde dort schon vor Jahrtausenden angebaut. In den vergangenen Jahrhunderten geriet sie aber in Vergessenheit. Erst seit kurzem ist Quinoa wieder in das Zentrum des wissenschaftlichen Interesses gerückt, denn die Samen bilden Inhaltsstoffe mit sehr hoher ernährungsphysiologischer Qualität. Außerdem können die Pflanzen auch unter unvorteilhaften Umweltbedingungen wie Trocken- und Salzstress wachsen. Unter der Leitung von Professor Mark Tester von der König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie in Djiddah (Saudi-Arabien) wurde das Quinoa-Genom entschlüsselt und die Forschungsergebnisse in der aktuellen Online-Ausgabe des Fachmagazins „Nature“ veröffentlicht. An dem Projekt waren insgesamt 33 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus vier Kontinenten beteiligt, darunter auch von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU).  
 
„Quinoa war eine Hauptkulturart der alten Anden-Zivilisationen, aber nach der Eroberung durch die Spanier verlor sie stark an Bedeutung. Das bedeutet, dass Quinoa nie vollständig domestiziert wurde und ihr genetisches Potenzial trotz des ausgewogenen Verhältnisses an positiven Inhaltsstoffen bis heute nicht ausgeschöpft wurde”, sagt Professor Tester. 
 
Für die Sequenzierung wurde eine neuartige Methode verwendet, die es erlaubt, sehr große Fragmente zu sequenzieren. Damit konnte eine annährend vollständige Sequenz erstellt werden, die auf den Chromosomen verankert wurde. Die hohe Qualität dieser Sequenz erlaubte es, züchterisch bedeutende Gene zu identifizieren und zu charakterisieren. „Dies wird eine zielgerichtete Züchtung zur Verbesserung des genetischen Potenzials stark beschleunigen“, erklärt Professor Christian Jung, der gemeinsam mit Dr. Nadine Dally, beide vom Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der Kieler Universität, an dem Forschungsprojekt beteiligt war.
 
Ein Problem bei der Nutzung der Kulturpflanze sei die Bildung eines Bitterstoffs (Saponin) in den Samen: „Wir haben die dafür verantwortlichen Gene identifiziert und können nun zielgerichtet Saponin-freie Pflanzen züchten“, ergänzt Tester. Außerdem stehe die Selektion kurzstrohiger Typen mit besserer Standfestigkeit auf dem Programm. Derartige Pflanzen sind dann in der Lage, mehr Samen zu produzieren, ohne umzuknicken. 
 
Für die Kieler Forscherinnen und Forscher ist besonders der Zeitpunkt der Blüte von Interesse. „Wir denken auch über den Anbau von Quinoa in Mitteleuropa nach“, sagt Dally. „Dafür ist es aber notwendig den Blühzeitpunkt zu verändern. Quinoa ist nämlich eine tropische Pflanze, die an kurze Tage angepasst ist. Bei uns muss sie aber im Langtag blühen. Wir haben bereits die dafür verantwortlichen Gene identifiziert und können nun damit beginnen, in einem weltweiten Quinoa-Sortiment nach vorteilhaften Genvarianten zu suchen.“
 
Das Forschungsprojekt wurde unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Originalpublikation:
D.E. Jarvis, Y. Shwen Ho, D.J. Lightfoot, S.M. Schmöckel, B. Li, T. Borm, H. Ohyanagi, K. Mineta, C.T. Michell, N. Saber, N.M. Kharbatia, R.R. Rupper, A.R. Sharp, N. Dally, B. A Boughton, Y.H. Woo, G. Gao, E. Schijlen, X. Guo, A.A. Momin, S. Negrão, S. Al-Babili, C. Gehring, U. Roessner, C. Jung, K. Murphy, S.T. Arold, T. Gojobori, C.G. van der Linden, E.N. van Loo, E.N. Jellen, P.J. Maughan, M. Tester. „The genome of Chenopodium quinoa“
DOI: 10.1038/nature21370

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-029-1.jpg 
Die tropische Pflanze Quinoa hat ihre Blühzeit an kurze Tage angepasst. Kieler Forschende wollen gemeinsam mit einer Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter anderem von der King Abdullah University (Saudi Arabien) die Genvarianten suchen, die ein Erblühen bei langen Tagen ermöglichen.
Copyright: Linda Polik

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-029-2.jpg  
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der King Abdullah University (Saudi Arabien) erforschen gemeinsam mit internationalen Partnern u.a. von der Kieler Universität die Kulturpflanze Quinoa.
Copyright: Prof. Mark Tester und Dr. Ihsanullah Daur

Kontakt:
Prof. Dr. Christian Jung
Institut für Pflanzenbau und -züchtung
Christian-Albrechts Universität zu Kiel
Tel: 0431-8807364
E-Mail: c.jung@plantbreeding.uni-kiel.de

Dr. Nadine Dally
Institut für Pflanzenbau und -züchtung
Christian-Albrechts Universität zu Kiel
Tel: 0431-8805036
E-Mail: n.dally@plantbreeding.uni-kiel.de 
 
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Redaktion: Claudia Eulitz
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de, Internet: www.uni-kiel.de, Twitter: www.twitter.com/kieluni Facebook: www.facebook.com/kieluni, Instagram: instagram.com/kieluni

 

Neue Einblicke in die Evolution des Stoffwechsels

16.02.2017

Abbildung: Axel Scheidig
Foto zum Herunterladen: www.uni-kiel.de/download/pm/2016/2016-420-1.jpg

 

In heißen Quellen, Geysiren und schwarzen Rauchern leben Urbakterien, auch Archaea genannt. Sie leben häufig unter extremen Umweltbedingungen und bevorzugen zum Beispiel hohe Temperaturen. Die Art Pyrococcus furiosus gehört zu diesen ursprünglichsten Lebewesen. Die Teams um den Mikrobiologen Professor Peter Schönheit und um den Strukturbiologen Professor Axel Scheidig, beide Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), analysierten den Zuckerstoffwechsel dieser Archaeen-Art. Dabei fanden sie den bislang unbekannten Mechanismus heraus, durch den die Umwandlung energiereicher Verbindungen, sogenannte Thioester, in Adenosintriphosphat (ATP, dem universellen Energieüberträger aller Lebewesen) ermöglicht wird. Die Entdeckung des Katalysemechanismus erlaubt neue Einblicke in die evolutionäre Entwicklung des Stoffwechsels. Die Forschenden veröffentlichten ihre Ergebnisse kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).

Beim Stoffwechsel machen Enzyme die Arbeit, so auch in Archaeen. Die sogenannten Acetyl-Coenzym A Synthetasen unter ihnen haben sich die Kieler Forscher genauer angeschaut. Denn sie ermöglichen die Übertragung eines Stoffwechselprodukts (aktiviertes Phosphat) zwischen zwei räumlich getrennten aktiven Zentren, um ATP zu bilden. Seit Beginn der Charakterisierung dieser Enzyme war es ein Rätsel, wie der Übergang funktioniert. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gingen seit über zehn Jahren davon aus, dass das aktivierte Phosphat durch eine Art Schwingen vom einen zum anderen Zentrum gelangt. Diese These konnte aber bislang nicht nachgewiesen werden.

Mithilfe eines speziellen Verfahrens zur Darstellung der Kristallstruktur, der sogenannten Röntgendiffraktion, ist es den Kieler Forschungsteams erstmals gelungen, die dreidimensionale Architektur der Acetyl-Coenzym A Synthetase nachzuvollziehen. Mit Hilfe von neun unterschiedlichen Kristallen konnten sie Momentaufnahmen des Enzyms während der Katalyse aufnehmen und damit den sich umlagernden Proteinbereich sichtbar machen. Mit dieser Methode konnten sie sehen, dass ein Proteinsegment im Enzym das aktivierte Phosphat (~P) überträgt. Die lang diskutierte Hypothese des Schleifen-Schwingens (‚loop swinging‘) zwischen den aktiven Zentren konnte damit bewiesen werden. „Die von uns entschlüsselten Strukturen liefern wichtige Erkenntnisse für den Katalysemechanismus dieser ungewöhnlichen Enzymklasse“, freuen sich Professor Schönheit und Professor Scheidig über die Entdeckung.

Ausgehend von ihrer Arbeit versuchen die Forschenden nun, die Enzyme, die auch in pathogenen Mikroorganismen vorkommen, weiter zu charakterisieren. Schönheit: „Unser Wunschziel ist es, dieses für den Energiehaushalt wesentliche Enzym gezielt ausschalten zu können und damit die krankheitserregenden Organismen im menschlichen Körper wirksam zu bekämpfen.“

Originalarbeit:
Weiße, R. H.-J., Faust, A., Schmidt, M. C., Schönheit, P., Scheidig, A. J. (2016). Structure of NDP forming acetyl-coenzyme A synthetase ACD1 reveals large rearrangement for phosphoryl-transfer. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113:519-528 DOI: 10.1073/pnas.1518614113
www.pnas.org/content/113/5/E519

Weitere Informationen über die Besonderheiten der Archaeen gibt es in der unizeit:
www.uni-kiel.de/unizeit/index.php?bid=340102&light=sch%F6nheit

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:
Bitte beachten Sie dabei unsere ► Hinweise zur Verwendung

Zum Vergrößern anklicken

Peter Schönheit und Axel Scheidig erforschten die Umwandlung energiereicher Verbindung in Urbakterien. In den Händen halten die Wissenschaftler ein Modell des Acetyl-Coenzyms A.
Foto/Copyright: Raissa Nickel, Uni Kiel
 

Foto zum Herunterladen:
www.uni-kiel.de/download/pm/2016/2016-420-2.jpg

Zum Vergrößern anklicken

Die Art Pyrococcus furiosus gehört zu den ursprünglichsten Lebewesen.
Abbildung: Dr. Annett Bellack, Universität Regensburg
 

Foto zum Herunterladen:
www.uni-kiel.de/download/pm/2016/2016-420-3.jpg

Zum Vergrößern anklicken

Die Struktur Acetyl-Coenzym A Synthetase zeigt einen ursprünglichen Energiewandler in der frühen Evolution des Stoffwechsels.
Abbildung: Axel Scheidig
 

Foto zum Herunterladen:
www.uni-kiel.de/download/pm/2016/2016-420-4.jpg

 

Kontakt:

 

Prof. Dr. Peter Schönheit
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-4328
E-Mail: peter.schoenheit@ifam.uni-kiel.de

 

Prof. Dr. Axel Scheidig
Zentrum für Biochemie und Molekularbiologie an der CAU
Telefon: 0431/880-4286
E-Mail: axel.scheidig@strubio.uni-kiel.de

 

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de, Internet: ► www.uni-kiel.de
Twitter: ► www.twitter.com/kieluni, Facebook: ► www.facebook.com/kieluni, Instagram: ► www.instagram.com/kieluni
Text / Redaktion: ► Raissa Nickel

Das Zittern liegt in den Genen

16.02.2017

Zu viel Kaffee oder eine aufregende Situation können auch bei gesunden Menschen zu einem fühlbaren und sichtbaren Zittern (Tremor) der Hände führen. Ungefähr jeder hundertste Mensch leidet aber an andauerndem und stärker ausgeprägtem Zittern, was das Krankheitsbild des Essentiellen Tremors (ET) bestimmt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben in Kooperation mit internationalen Arbeitsgruppen in einer groß angelegten Studie nach möglichen Ursachen des ET gesucht und konnten drei Gene identifizieren, die mit dem Zittern in Verbindung stehen. Die Ergebnisse der Studie erscheinen heute (Freitag, 21. Oktober) in der renommierten Fachzeitschrift „Brain“.

Ein ET kann in jedem Alter beginnen und nicht nur die Hände, sondern auch andere Körperteile wie den Kopf, die Beine und sogar die Stimme erfassen. Mit steigendem Alter nimmt dabei fast immer die Intensität des Zitterns zu und beeinträchtigt Patientinnen und Patienten bei alltäglichen Tätigkeiten wie Trinken, Schreiben und anderen feinmotorischen Handlungen. Über die genauen Ursachen und den Entstehungsprozess des ET ist bisher kaum etwas bekannt.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Klinik für Neurologie, Medizinische Fakultät der CAU und Universitätsklinikum Schleswig-Holstein (UKSH), konnten in Zwillingsstudien bereits zeigen, dass der ET eine hohe Erblichkeit aufweist, allerdings bei den meisten Betroffenen genetisch komplex ist. „Als genetisch komplex bezeichnen wir eine Krankheitsentstehung, wenn genetische Risikofaktoren mit zusätzlichen Umweltfaktoren zusammenwirken“, erklärt Professor Gregor Kuhlenbäumer, Studienleiter an der Klinik für Neurologie. „In solchen Fällen finden wir oft keine direkte Vererbung der Erkrankung von Eltern auf ihre Kinder.“

In der nun veröffentlichten, groß angelegten Studie, unter Leitung der Klinik für Neurologie und des Montreal Neurological Institute, wurde der ET erstmals umfassend molekulargenetisch an fast 3000 Patientinnen und Patienten sowie 7000 Kontrollfällen aus zahlreichen europäischen, kanadischen und amerikanischen Studienzentren untersucht. „Wir konnten tatsächlich drei Gene identifizieren, von denen wir glauben, dass sie ursächlich für die Erkrankung sind“, sagt Kuhlenbäumer. „Um als gesichert zu gelten, müssen diese Ergebnisse nun allerdings in weiterführenden, unabhängigen Untersuchungen noch bestätigt werden.“

Die drei identifizierten Gene (STK32B, PPARGC1A und CTNNA3) könnten eine große Bedeutung für die Tremorforschung haben. „Wenn sich die Befunde bestätigen, so haben wir erstmals einen Anhaltspunkt, an dem wir mit biochemischen und experimentellen Methoden anknüpfen können, um mehr über die Entstehung des Zitterns zu erfahren“, sagt Kuhlenbäumer. Denn allein in Deutschland leiden etwa eine Million Menschen an ET. Die medikamentöse Therapie der Erkrankung ist allerdings nur bei ungefähr der Hälfte aller Patientinnen und Patienten erfolgreich und kann bei ihnen das Zittern auch nicht heilen, sondern nur lindern. Weltweit ist die Kieler Klinik für Neurologie in der Erforschung, Diagnostik und Therapie von Tremorkrankheiten führendes Zentrum.


Originalpublikation:
Genome-Wide Association Study in Essential Tremor Identifies Three New Loci (2016). Stefanie H. Müller, Simon L. Girard, Franziska Hopfner, Nancy D. Merner, Cynthia V. Bourassa, Delia Lorenz, Lorraine N. Clark , Lukas Tittmann, Alexandra I. Soto-Ortolaza, Stephan Klebe, Mark Hallett, Susanne A. Schneider, Colin A. Hodgkinson, Wolfgang Lieb, Zbigniew K. Wszolek, Manuela Pendziwiat, Oswaldo Lorenzo-Betancor, Werner Poewe, Sara Ortega-Cubero, Klaus Seppi, Alex Rajput, Anna Hussl, Ali H. Rajput, Daniela Berg, Patrick A. Dion, Isabel Wurster, Joshua M. Shuman, Karin Srulijes, Dietrich Haubenberger, Pau Pastor, Carles Vilariño-Güell, Ronald B. Postuma, Geneviève Bernard, Karl-Heinz Ladwig, Nicolas Dupré, Joseph Jankovic, Konstantin Strauch, Michel Panisset, Juliane Winkelmann, Claudia M. Testa, Eva Reischl, Kirsten E. Zeuner, Owen A. Ross, Thomas Arzberger, Sylvain Chouinard, Günther Deuschl, Elan D. Louis, Gregor Kuhlenbäumer, Guy A. Rouleau. Brain (2016).
DOI: 10.1093/brain/aww242

Kontakt:
Prof. Gregor Kuhlenbäumer
Klinik für Neurologie
Tel.: 0431/597-8806
E-Mail: g.kuhlenbaeumer@neurologie.uni-kiel.de



Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de, Internet: ► www.uni-kiel.de
Twitter: ► www.twitter.com/kieluni, Facebook: ► www.facebook.com/kieluni
Text / Redaktion: Dr. Ann-Kathrin Wenke

Neue Einblicke in den Stammbaum des Lebens

16.02.2017

CAU-Mikrobiologie liefert grundlegende Erkenntnisse zur Rolle der Urbakterien in der Evolution

Um die Vielfalt des Lebens zu beschreiben, unterscheidet die Wissenschaft zum Beispiel nach dem Tier- oder Pflanzenreich. Außerdem wird sie auch in drei grundlegende Kategorien oder auch Domänen unterteilt: Die erste umfasst Lebewesen, die einen Zellkern besitzen, die Domäne der sogenannten Eukarya. Die beiden weiteren Domänen beinhalten zum einen die Urbakterien, auch Archaea genannt, zum anderen die Bakterien. Lebewesen dieser beiden Domänen besitzen keinen Zellkern. Die Domäne der Archaeen nimmt dabei eine Sonderstellung ein, da sie Merkmale sowohl der Eukarya als auch der Bakterien trägt. Aus welcher der beiden ursprünglicheren Domänen sich die eukaryotische Zelle und damit höhere Lebewesen einschließlich der Wirbeltiere im Laufe der Evolution entwickelt haben, wird bis heute kontrovers diskutiert. Kürzlich gefundene deutliche Hinweise legen nahe, dass sich die Eukarya aus der Domäne der Archaeen entwickelt haben könnten. Forschende vom Institut für Allgemeine Mikrobiologie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) konnten zeigen, dass Archaeen ihre Erbinformationen auf sehr ähnliche Weise ablesen, um sie in Proteine umzusetzen, wie es auch Eukarya tun. Dies unterstützt die Theorie über den Ursprung der Eukarya in der Domäne der Archaeen. Die neuartigen Forschungsergebnisse veröffentlichte das Team um Professorin Ruth Schmitz-Streit von der CAU gemeinsam mit Professor Rotem Sorek vom Weizmann Institute of Science aus Rehovot, Israel, jüngst in der Fachzeitschrift Nature microbiology.

Der Schlüssel zu diesen neuen Erkenntnissen liegt in der Untersuchung der Transkription, also dem Ablesevorgang der genetischen Information. Im Laufe dieses Prozesses wird die sogenannte Boten-Ribonukleinsäure (mRNA) gebildet, deren Aufgabe die Umsetzung von genetischer Information in Proteine ist. Im Hinblick auf diese Vorgänge untersuchten die Forschenden die beiden Archaeen-Arten Methanosarcina mazei und Sulfolobus acidocaldarius

mittels genomweiter Analysen. Insbesondere das Ende des Transkriptionsvorgangs ist aufschlussreich: Bakterien weisen hier nach dem für die Codierung der Proteine zuständigen Teil nur eine sehr kurze Endsequenz auf. Die nun vorliegende Studie zeigt, dass Archaeen demgegenüber eine ähnlich lange Endsequenz der mRNA aufweisen, wie es auch bei Eukarya der Fall ist. Die vermeintlich unbeteiligten Enden der mRNA tragen also möglicherweise auch bei Archaeen zur Genregulation bei. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten zudem belegen, dass über 30 Prozent der Archaeen-Gene durch eine Reihe aufeinanderfolgender alternativer Terminations-Signale in der Transkription kontrolliert werden können. In Abhängigkeit von den Umweltbedingungen entstehen also jeweils unterschiedlich lange Endsequenzen.

Die neuartigen Erkenntnisse legen einerseits die evolutionäre Nähe von Archaeen und Eukarya nahe. Andererseits weisen sie darauf hin, dass die langen und wandelbaren Endsequenzen der Archaeen auch funktionale Bedeutung haben müssen. Damit eröffnet sich ein gänzlich neues Betätigungsfeld in der Mikrobiologie, betont Schmitz-Streit: „Bislang war schlicht nicht bekannt, dass Archaeen solch lange Transkriptions-Endsequenzen besitzen. Zum einen werden so Einblicke in die evolutionäre Entwicklung des Lebens möglich. Vor allem betreten wir mit der Erforschung ihrer Funktionen wissenschaftliches Neuland und erhoffen uns überraschende neue Erkenntnisse über die Regulation bei Archaeen auf posttranskriptionaler Ebene.“

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:
Bitte beachten Sie dabei unsere ► Hinweise zur Verwendung

 

Zum Vergrößern anklicken

Die methanproduzierende Archaeen-Art Methanosarcina mazei ist ein in der Mikrobiologie häufig verwendeter Modellorganismus.
Abbildung: Andrea Ulbricht
 

Foto zum Herunterladen:
www.uni-kiel.de/download/pm/2016/2016-339-1.jpg

 

Originalarbeit:

Daniel Dar, Daniela Prasse, Ruth A. Schmitz & Rotem Sorek (2016): Widespread formation of alternative 3? UTR isoforms via transcription termination in archaea. Nature Microbiology

dx.doi.org/10.1038/nmicrobiol.2016.143

 

Kontakt:

Prof. Ruth Schmitz-Streit
Molekularbiologie der Mikroorganismen,
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-4334 E-Mail: rschmitz@ifam.uni-kiel.de

 

Weitere Informationen 

Molekularbiologie der Mikroorganismen (AG Schmitz-Streit),
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
www.mikrobio.uni-kiel.de/de/ag-schmitz-streit

 

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de, Internet: ► www.uni-kiel.de
Twitter: ► www.twitter.com/kieluni, Facebook: ► www.facebook.com/kieluni
Text / Redaktion: ► Christian Urban

Wichtige Zellgruppe für die lokale Immunreaktion entdeckt

20.10.2016

Kieler Team des Exzellenzclusters Entzündungsforschung identifiziert bisher unbekannte Quelle für den Botenstoff Interleukin 9
 

Interleukin 9 (IL-9) ist ein Botenstoff des Immunsystems mit vielfältigen Wirkungen. Es spielt eine Rolle bei allergischen Reaktionen, der Durchlässigkeit von Epithelzellen und der Anti-Tumor-Aktivität des Immunsystems. Unter welchen Bedingungen IL-9 in nennenswertem Umfang gebildet wird, hat eine Arbeitsgruppe des Exzellenzclusters Entzündungsforschung an der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) mit in-vitro-Zellkulturstudien aufgeklärt. Das Team unter Leitung von Prof. Dieter Kabelitz (Institut für Immunologie) identifizierte in der Studie eine bisher unbekannte Quelle für die IL-9-Produktion, die so genannten gamma/delta-T-Lymphozyten. In Geweben wie zum Beispiel der Darm- oder Bronchialschleimhaut ist dieser Zelltyp dominierend. „Botenstoffe, die von diesen Zellen im Gewebe produziert werden, können insofern eine erhebliche Bedeutung für die lokale Entzündungsreaktion haben“, erklärt Kabelitz. Die Ergebnisse dieser Studie werden jetzt in der Fachzeitschrift  Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States (PNAS) publiziert.

Der Kieler Immunologe Prof. Dieter Kabelitz erforscht schon seit vielen Jahren gamma/delta-T-Zellen (γδ-T-Zellen), die zwar nur eine kleine Untergruppe im Blut sind; im Gewebe wie der Darmschleimhaut dagegen etwa 20 bis 30 Prozent aller Immunzellen ausmachen und zum Beispiel auch. im Lungengewebe vorkommen. Sein Interesse an den Zellen begründet sich vor allem auf der Erkenntnis, dass γδ-T-Zellen einen „Riecher“ dafür haben, wenn Zellen gestresst werden und in der Folge im Stoffwechsel etwas falsch läuft, was dann eine entsprechende Immunantwort einleitet. Sie spielen daher eine große Rolle in der lokalen Immunüberwachung gegenüber Entzündung, Infektion und maligner (bösartiger) Entartung von Zellen.

In diesem Zusammenhang könnte auch die Produktion von Interleukin-9 (IL-9) relevant sein. Der Botenstoff kann das Wachstum von  Immunzellen  stimulieren sowie die Durchlässigkeit von Epithelzellen regulieren. Darüber hinaus wird durch IL-9 die Produktion von Antikörpern der IgE Klasse stimuliert, die bei allergischen Reaktionen und in der Wurmabwehr eine wichtige Rolle haben. Zusätzlich wird durch IL-9 aber auch die Aktivität von Killerzellen gesteigert, die zum Beispiel in der immunologischen Tumorabwehr  von Bedeutung sind.

Als IL-9 produzierende Zellen im Immunsystem war bisher nur eine Untergruppe der CD4-positiven T-Lymphozyten (kurz CD4-Zellen) bekannt. Voraussetzung für die Freisetzung von IL-9 ist die Aktivierung mit den Botenstoffen Transforming Growth Factor-beta (TGFβ) und Interleukin-4. „Wir haben gezeigt, dass auch gamma/delta-T-Zellen IL-9 produzieren und zwar deutlich mehr als CD4-Zellen“, sagt Kabelitz. Außerdem sei bei γδ-T-Zellen für die IL-9-Produktion nur eine Stimulation mit TGFβ nötig gewesen. „Das erforderliche TGFβ wird von Epithelzellen und von vielen Tumorzellen produziert. Es ist daher denkbar, dass in entzündlichem Gewebe, aber auch im Tumor-Mikromilieu, durch TGFβ in vor Ort befindlichen gamma/delta T-Zellen direkt IL-9 induziert wird. Dadurch kann die lokale Immunreaktion entscheidend beeinflusst werden“. In weiteren Untersuchungen ist geplant, die in Gewebekultur erzielten Ergebnisse in Krankheitssituationen zu überprüfen.

Gefördert wurde diese Studie mit Mitteln des Exzellenzcluster Entzündungsforschung, der Else-Kröner-Fresenius Stiftung und der Medizinischen Fakultät der CAU.

 

Originalpublikation:

Christian Peters, Robert Häsler, Daniela Wesch, Dieter Kabelitz: Human Vδ2 T cells are a major source of Interleukin-9. PNAS 2016;

www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1607136113

 

Kontakt:

Prof. Dr. Dieter Kabelitz
Institut für Immunologie
Tel.: 0431/500 31000
Dietrich.Kabelitz@uksh.de
 
Dr. Christian Peters
Institut für Immunologie
Tel.: 0431/500 31037
Christian.Peters@uksh.de

 

Exzellenzcluster Entzündungsforschung
Wissenschaftliche Geschäftsstelle, Leitung: Dr. habil. Susanne Holstein
Presse und Kommunikation, Sonja Petermann, Text: Kerstin Nees
Postanschrift: Christian-Albrechts-Platz 4, D-24118 Kiel
Telefon: (0431) 880-4850, Telefax: (0431) 880-4894

 

Der Exzellenzcluster „Inflammation at Interfaces/Entzündungsforschung“ wird seit 2007 durch die Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder mit einem Gesamtbudget von 68 Millionen Euro gefördert; derzeit befindet er sich in der zweiten Förderphase. Die rund 300 Clustermitglieder an den insgesamt vier Standorten: Kiel (Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Universitätsklinikum Schleswig-Holstein), Lübeck (Universität zu Lübeck, UKSH), Plön (Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie) und Borstel (Forschungszentrum Borstel – Leibniz-Zentrum für Medizin und Biowissenschaften) forschen in einem innovativen, systemischen Ansatz an dem Phänomen Entzündung, das alle Barriereorgane wie Darm, Lunge und Haut befallen kann.

Artikelaktio

Unsere Gene beeinflussen die Darmflora

12.10.2016

Überraschende Erkenntnisse aus der Kieler Mikrobiom-Forschung
 

Ein internationales Konsortium unter Federführung von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat herausgefunden, dass das menschliche Genom einen großen Einfluss auf die Zusammensetzung der Bakterien im Darm hat. Die Ergebnisse dieser Studie erscheinen heute (Montag, 10. Oktober) in der renommierten Fachzeitschrift "Nature Genetics".
 
Im menschlichen Darm lebt eine Vielzahl von unterschiedlichen Bakterien, die einen wichtigen Einfluss auf unsere Gesundheit haben. Unter anderem spalten sie Nährstoffe, beeinflussen unser Immunsystem und sorgen für ein ausgeglichenes Hormonsystem. Verändert sich die Zusammensetzung der Darmflora, zum Beispiel durch die Gabe von Antibiotika, können verschiedene Krankheiten wie entzündliche Darmerkrankungen, Diabetes oder Autismus entstehen.
 
Um das komplexe Zusammenspiel und den Einfluss der menschlichen Darmflora auf die Entstehung von Krankheiten besser zu verstehen, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Uni Kiel zusammen mit weiteren Arbeitsgruppen aus dem Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön und Oslo in der bislang größten Studie dieser Art die Zusammensetzung der Darmbakterien von über 1.800 Norddeutschen untersucht. Sie identifizierten eine Reihe von Faktoren wie Ernährung, Lebensgewohnheiten und genetische Variationen, die die Zusammensetzung des Darm-Mikrobioms beeinflussen. Mit dem Einfluss von genetischen Unterschieden hat sich das Kieler Forschungsteam dann näher beschäftigt.
 
Insgesamt konnten die Forscherinnen und Forscher 42 Bereiche im menschlichen Genom finden, die die Vielfalt der Darmflora beeinflussen. Für weitere 42 Genbereiche konnten sie nachweisen, dass sie über das Vorkommen und die Häufigkeit bestimmter Bakterienarten im Verdauungstrakt mitbestimmen. Insgesamt sind diese genetischen Faktoren für rund 10 Prozent der Bakterienvielfalt im Darm verantwortlich. „Dass unser Genom einen solch großen Einfluss auf die Darmbakterien hat, war eine große Überraschung für uns“, sagt Professor Andre Franke, Studienleiter und Direktor des Instituts für Klinische Molekularbiologie (IKMB), Medizinische Fakultät der CAU. „Eine ähnliche Größenordnung ist aus Mausstudien bekannt und lässt darauf schließen, dass wir es hier mit evolutionär konservierten Prozessen zu tun haben.“
 
Ein spezielles Gen, das die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in dieser Studie identifiziert haben, war für sie besonders interessant: Es kodiert für den Vitamin D Rezeptor, der Gallensäuren bindet, die wiederum für die Fettverdauung wichtig sind. „Den Einfluss jedes einzelnen Faktors, den wir identifizieren konnten, wollen wir nun in weiterführenden Studien genauer untersuchen“, sagt Louise Thingholm, Erstautorin der Studie vom IKMB. Dieses Vorhaben ist Teil des neuen Sonderforschungsbereichs (SFB) 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ an der CAU, der seit Anfang dieses Jahres von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit rund 10 Millionen Euro finanziert wird.    

Originalpublikation:
Genome-wide association analysis identifies variation in vitamin D receptor and other host factors influencing the gut microbiota (2016). Jun Wang, Louise B Thingholm, Jurgita Skiecevicienė, Philipp Rausch et al. Nature Genetics. DOI: 10.1038/ng.3695

Abbildungen zum Thema stehen zum Download bereit:
www.uni-kiel.de/download/pm/2016/2016-322-1.jpg  
Bildunterschrift: Die Abbildung zeigt, dass viele bekannte Gene, die das Darmmikrobiom in der Maus beeinflussen, mit den menschlichen Genen identisch sind, die von der Kieler Studie identifiziert wurden (Verbindungslinien innerhalb des Kreises). Die linke Seite zeigt dabei die Positionen auf der Maus-DNA, die rechte Seite die menschlichen Chromosomenabschnitte.
Copyright: Institut für Klinische Molekularbiologie/CAU
 
www.uni-kiel.de/download/pm/2016/2016-322-2.jpg   
Bildunterschrift: Für die Analyse der Zusammensetzung der Darmflora werden die Stuhlproben im Labor vorbereitet.
Copyright: Institut für Klinische Molekularbiologie/CAU
 
www.uni-kiel.de/download/pm/2016/2016-322-3.jpg   
Bildunterschrift: Eine Technische Angestellte bearbeitet die Stuhlproben unter der Laborbank.
Copyright: Institut für Klinische Molekularbiologie/CAU
 
Weitere Informationen:
www.ikmb.uni-kiel.de/research/genetics-bioinformatics/microbiome-studies-0  

Kontakt:
Prof. Dr. Andre Franke
Institut für Klinische Molekularbiologie, CAU
Telefon: 0431/500-15110; 0179-4851891
E-Mail: a.franke@mucosa.de
 
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Redaktion: Dr. Ann-Kathrin Wenke
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de, Internet: www.uni-kiel.de

Neue Gene für Herzfehler entdeckt

07.09.2016

fmedi-fakultaet-faku.png

Eine internationale Forschergruppe hat drei neue Gene gefunden, die bei der Entstehung angeborener Herzfehler eine Rolle spielen. Die Wissenschaftler haben außerdem neue Erkenntnisse darüber gewonnen, welche Arten von Herzfehlern vererbt werden und welche durch neu aufgetretene Genveränderungen verursacht werden. Diese Ergebnisse helfen, die genetische Beratung von betroffenen Familien zu verbessern. Das Konsortium unter Beteiligung des Wellcome Trust Sanger Institutes, des Kompetenznetzes Angeborene Herzfehler, des Deutschen Zentrums für Herz-Kreislauf-Forschung (DZHK) und der Klinik für angeborene Herzfehler und Kinderkardiologie, Medizinische Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, berichtet darüber in der aktuellen Ausgabe von Nature Genetics. Weiter lesen...

Mutationen an- und wieder ausschalten

12.04.2016

fmath-botan-inst.pngKieler Forschungsteam erleichtert mit neuem Verfahren funktionale Genomik

Schimmelpilze werden vor allem mit diversen gesundheitlichen Risiken in Verbindung gebracht. Sie spielen auch eine weniger bekannte, für die Biotechnologie aber besonders wichtige Rolle. Der Schimmelpilz Aspergillus niger zum Beispiel dient seit rund 100 Jahren der industriellen Gewinnung von Zitronensäure, die in vielen Nahrungsmitteln als konservierender Zusatzstoff enthalten ist. Um die genetischen Mechanismen zu erkunden, die Aufschluss über das mögliche Anwendungsspektrum von Schimmelpilzen und ihrer Stoffwechselprodukte geben können, hat ein Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen von der niederländischen Universität Leiden nun ein neues Verfahren entwickelt. Weiter lesen...

Versteckter Sicherheitsschalter: Neue Erkenntnisse zu Todesrezeptoren bei Krebszellen

10.06.2015

Ein besseres molekulares Verständnis der Rolle von sogenannten Todesrezeptoren in der Krebsentstehung, die insbesondere Bauchspeicheldrüsenkrebs besonders aggressiv und fast immer tödlich verlaufen lassen – das ist das Ziel von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am Institut für Experimentelle Tumorforschung an der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Die Arbeitsgruppe unter der Leitung von Professorin Anna Trauzold und Professor Holger Kalthoff beschäftigt sich seit mehr als zehn Jahren mit diesen Todesrezeptoren, die in fast allen Körperzellen und prinzipiell auch in Krebszellen für das kontrollierte Absterben der Zelle, den programmierten Zelltod, sorgen können. Weiter lesen...

Die Vielfalt im Innern des Wurms

18.05.2016

fmath-botan-inst.pngKieler Forschungsteam zeigt am Beispiel von Fadenwürmern die Bedeutung einer natürlichen Bakterienbesiedelung

Er ist einer der am besten erforschten Modellorganismen der Biologie: Der winzige Fadenwurm oder Nematode der Art Caenorhabditis elegans dient Forschenden seit Jahrzehnten zur Untersuchung von zum Beispiel Entwicklungsprozessen und Funktionsweise des Nervensystems. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit nutzen dazu eine bestimmte, stark an die Laborumgebung angepasste C. elegans-Variante, die unter diesen Bedingungen keinerlei Bakterienbesiedlung aufweist. Weiter lesen...

Warum Japanerinnen und Japaner länger leben

13.11.2015

Kieler Forschungsteam zeigt positiven Einfluss bioaktiver Pflanzenstoffe in Grüntee und Soja auf die Lebensspanne

Ein Forschungsteam vom Institut für Humanernährung und Lebensmittelkunde an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat vielversprechende Zusammenhänge zwischen zwei sekundären Pflanzenstoffen, den sogenannten Catechinen und Isoflavonen, und der Lebenserwartung entdeckt. Die zugrunde liegenden Forschungsarbeiten der Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erschienen jüngst in den beiden Fachmagazinen Oncotarget und The FASEB Journal. Weiter lesen...

Pilze aus dem Meer enthalten vielversprechende Wirkstoffe gegen Krebs

28.10.2015

fmath-botan-inst.pngKieler Forschungsteam identifiziert Pilz-Gene, die krebshemmende Wirkstoffe ausbilden können

Der Ozean ist bis heute einer der am wenigsten erforschten Lebensräume unseres Planeten. Forschende vermuten ein riesiges Erkenntnispotenzial in den Meeren und suchen dort deshalb auch nach neuartigen Wirkstoffen zur Krankheitsbekämpfung. Im EU-Projekt „Marine Fungi“ haben internationale Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter Beteiligung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel nun systematisch nach solchen Stoffen speziell in Pilzen aus dem Meer gesucht. Ein besonders vielversprechendes Ergebnis ist die Identifizierung der Gene eines solchen Pilzes, die für die Bildung von zwei krebshemmenden Stoffen, sogenannten zyklischen Peptiden, verantwortlich sind. Ein Forschungsteam um Professor Frank Kempken, Leiter der Abteilung für Botanische Genetik und Molekularbiologie an der CAU, veröffentlichte die neuartigen Erkenntnisse nun in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins PLOS Biology. Weiter lesen...

Neue Strategie in der Bekämpfung von Antibiotika-resistenten Krankheitskeimen

16.10.2015

Schneller Wechsel in der Medikamentengabe hemmt die Ausbildung von Resistenzen


Die schnelle Evolution von Antibiotika-Resistenzen stellt eine zunehmend dramatische Gefahr für die öffentliche Gesundheit dar. In weniger als 20 Jahren könnten Antibiotika-resistente Krankheitskeime zu den häufigsten Verursachern nicht-natürlicher Todesfälle gehören. Die Medizin steht somit vor der gewaltigen Herausforderung die erfolgreiche Behandlung von bakteriellen Infektionen weiterhin zu gewährleisten - trotz eines immer kleiner werden Spektrums wirksamer Antibiotika. Jüngste Forschungsergebnisse einer Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) zeigen nun Möglichkeiten auf, wie die Wirksamkeit der noch zur Verfügung stehenden Antibiotika länger erhalten werden kann. Weiter lesen...

Fadenwürmer reisen per Anhalter

13.07.2015

2015-263-1.jpgKieler Forschungsgruppe erforscht natürliche Lebensweise von Caenorhabditis elegans


Winzige Fadenwürmer zum Beispiel der Art Caenorhabditis elegans nutzen bei der Nahrungssuche Nacktschnecken und andere Wirbellose als Transportmittel. Dies fand eine Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) nun heraus. Die etwa einen Millimeter langen Tiere leben meist in kurzlebigen Umgebungen, wie beispielsweise in verrottenden Früchten oder anderem Pflanzenmaterial. Hier weiterlesen...

Live aus dem Labor der Evolution

05.06.2015

Studie zur Koevolution zwischen Wirt und Krankheitserregern wirft neues Licht auf Evolutionsdynamik

Jedes Jahr treten neuen Grippe- und Erkältungserreger auf und problematische Krankheitserreger wie zum Beispiel Ebola sorgen in regelmäßigen Abständen für globale Beunruhigung. Der Schlüssel für ein besseres Verständnis von Krankheitsepidemien liegt in der Veränderlichkeit und damit in der Evolution der verursachenden Krankheitserreger.Hier weiterlesen...

Giftige Symbiose

25.03.2015

Kieler Studie zeigt: Mikrobe des Jahres verantwortlich für Pflanzengifte

Eine Arbeitsgruppe der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) um den Professor Dietrich Ober hat herausgefunden, dass Symbiosen von Pflanzen und Bakterien nicht nur, wie bisher vermutet, für die Bindung von Nährstoffen, sondern auch für die Produktion von Pflanzengiften verantwortlich sein können.

Hier weiterlesen

Kieler Forschungsteam entschlüsselt Erbgut des Kieler Erregers

25.03.2015

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es erstmalig gelungen, das Erbgut des Ausbruchsstamms Acinetobacter baumannii zu entschlüsseln. Dabei handelt es sich um einen multiresistenten Erreger, gegen den alle vier wesentlichen Gruppen von Antibiotika nicht mehr wirken (4MRGN).

Hier weiterlesen

Darmflora könnte Artbildung beeinflussen

25.03.2015

Wir sind nicht allein. Und das waren wir auch nie: Bakterien besiedelten die Erde lange vor vielzelligen Organismen und beeinflussten deren Evolution von Anbeginn. Dabei könnten sogar neue Arten entstehen. In einer neuen Studie untersuchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Exzellenzclusters „Entzündungsforschung“ die Bakteriengemeinschaften im Darm zweier Mäuse-Unterarten und ihrer Mischlinge.

Hier weiterlesen
Forschungsmeldungen

Aktuelles

Kalender

« Dezember 2017 »
Mo Di Mi Do Fr Sa So
27 28 29 30 1 2 3
4 5
  • 17:00: KON-Seminar (Jürgen Fritsch): Palmitoylation – Emerging roles in TNF-R1 endocytic trafficking and signaling
  • Klicken Sie, um Details zu allen 1 Terminen zu sehen.
6 7 8 9 10
11 12 13 14 15 16 17
18 19
  • 17:00: KON-Seminar (Burkhard Brandt): CTCs and Cancer: The technical and biological challenges and promises
  • Klicken Sie, um Details zu allen 1 Terminen zu sehen.
20 21 22 23 24
25 26 27 28 29 30 31
Veranstaltungen