Struktur einer biologischen Uhr aus der Frühzeit des Lebens entschlüsselt

17. März 2017, 09:26
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Forscher analysierten den zellulären Taktgeber von Cyanobakterien mithilfe eines Kühlschranks

Utrecht – Nicht nur höhere Organismen wie Säugetiere oder wir Menschen besitzen eine innere Uhr, auch Bakterien steuern ihren Stoffwechsel mit biologischen Taktgebern. Wie diese uralten Systeme im Detail funktionieren, war allerdings bisher unklar. Einem internationalen Forscherteam ist es nun gelungen, dieses Rätsel zu lösen.

Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt, gehören zu den ältesten Organismen der Erde die durch Photosynthese Sauerstoff und Energie produzierten. Sie bilden damit die Basis für irdisches Leben. Mit Hilfe der molekularen Strukturanalyse haben Forscher vom Max-Planck-Institut für Biochemie und der Universität Utrecht in den Niederlanden drei "Uhr"-Proteine untersucht und ihr Zusammenspiel entschlüsselt.

Zahnrad, Feder Schwungrad

Bereits seit zehn Jahren weiß man, dass die biologische Uhr von Cyanobakterien aus den drei Proteinbestandteilen KaiA, KaiB und KaiC aufgebaut ist. Diese Proteine bilden die Grundbausteine eines präzisen Uhrwerks und entsprechen damit den Zahnrädern, den Federn und dem Schwungrad einer mechanischen Uhr. Wird diesem System Energie zugeführt – ähnlich dem Aufziehen einer Uhr ‒ bilden diese drei Proteine ohne weitere äußere Einwirkung den Tag-Nacht-Rhythmus nach. Im Reagenzglas ist ein solch isoliertes System über Wochen stabil. Bereits 2005 beschrieben japanische Wissenschafter dieses Phänomen, jedoch war bis heute unklar wie diese drei Proteine dies zusammen tatsächlich bewerkstelligen.

"Um das Ticken der biologischen Uhr in Cyanobakterien zu verstehen, haben wir im übertragenen Sinne die Zeit gestoppt", erklärt der Forschungsleiter Heck aus Utrecht. "Oder wie William Faulkner, Nobelpreisträger für Literatur einst sagte: 'Nur wenn die Uhr anhält, kommt die Zeit ins Leben.' Faulkner sprach vom Innehalten in der ständigen Hast des Lebens. Das war auch bei uns der Trick. Wir haben die biologische Uhr gestoppt indem wir sie eine Woche lang in den Kühlschrank gelegt haben. Im sprichwörtlichen Sinne haben wir die Zeit eingefroren."

Zellulärer Rhythmus

Die molekularen Strukturen dieser "eingefrorenen" Uhr konnten die Forscher mit Hilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie im Detail untersuchen. So gelang es die Position der "Uhr"-Proteine im Uhrwerk zu bestimmen und zu verstehen, wie die einzelnen Komponenten – der Antrieb, die Feder und das Schwungrad ‒ dieser biologischen Uhr zusammenarbeiten. Die native Massenspektrometrie ermöglichte es dahingegen, die Häufigkeit des komplexen Ab- und Aufbaus dieser drei Proteine KaiA, KaiB und KaiC während eines 24-Stunden Zyklus aufzuklären und die rhythmusgebenden Proteinkomponenten zu bestimmen.

"Obwohl die biologische Uhr der Cyanobakterien erdgeschichtlich sehr alt ist können wir auch heute aus diesem System viel lernen", so Heck. Vor wenigen Jahren entdeckten Forscher einen ähnlichen Mechanismus in unseren roten Blutzellen. "Cyanobakterien waren die ersten Sauerstoff produzierenden Organismen und haben damit die Grundlage für unser heutiges Leben geschaffen", sagt Heck. Die Erkenntnisse der in der nun im Fachjournal "Science" präsentierten Studie bieten nach Ansicht der Forscher neue Einblicke in die biologischen Urmechanismen des Lebens und bestimmte Aspekte können direkt in der klinischen Forschung weiter verfolgt werden. (red, 17.3.2017)

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