Düsseldorf – Wann in der Evolution die Photosynthese gleichsam "erfunden" wurde, ist nach wie vor ein Rätsel. Einige Forscher gehen allerdings davon aus, dass die Fähigkeit, aus Sonnenlicht Energie zu gewinnen, bereits sehr früh von Protocyanobakterien hervorgebracht worden ist. Höhere Zellen erwarben diese Gabe dagegen erst bedeutend später, und zwar indem sie sich Cyanobakterien einverleibten und sie zu eigenen Zellorganellen, so genannte Plastiden, umwandelten. Wie dies genau abgelaufen ist, haben nun Wissenschafter an der Amöbe Paulinella chromatophora erforscht.

Zellen bedienen sich der Photosynthese, um mithilfe von Sonnenlicht energiereiche Zucker aus energiearmen anorganischen Molekülen herzustellen. Dieser Prozess geschieht in den photosynthetischen Organellen von Pflanzen und Algen, den Plastiden. Diese wiederum entstanden vor mehr als 1,5 Milliarden Jahren, indem eine Wirtszelle ein zur Photosynthese fähiges Cyanobakterium in sich aufnahm. Ähnlich bildeten sich vor rund zwei Milliarden Jahren auch die Mitochondrien, die Kraftwerke der Zelle.

Aber was genau geschah vor 1,5 Milliarden Jahren mit dem Cyanobakterium? Offensichtlich verdaute die aufnehmende Zelle das Beutebakterium nicht, sondern erhielt es am Leben und verband sich sogar symbiotisch mit ihm. Dies ging schließlich so weit, dass das Bakterium einen Großteil des eigenen Erbguts verlor und Teile davon in den Zellkern der Wirtszelle transferierte. Die Wirtszelle übernahm es nun, die Information dieser Gene auszulesen und daraus Proteine zu synthetisieren, die in die Plastiden importiert werden und für deren Aufbau und Funktion essentiell sind.

Zwischenstadium zwischen Cyanobakterien und Plastiden

Ein Team um Eva Nowack von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) rekonstruierte nun zusammen mit Marburger Kollegen die evolutiven Prozesse, die zur Integration der Plastiden in die Wirtszelle führten. Schwierig war dabei, dass dies schon vor sehr langer Zeit geschah. Ihnen kam aber die Amöbe Paulinella chromatophora zur Hilfe: Denn ihre photosynthetischen Organellen – die so genannten Chromatophoren – bildeten sich erst vor rund 100 Millionen Jahren aus. Die Chromatophoren weisen Eigenschaften auf, die sie als Zwischenstadium zwischen Cyanobakterien und Plastiden charakterisieren.

In einer Veröffentlichung in "Current Biology" zeigen die Wissenschafter, dass die Chromatophoren in Paulinella chromatophora trotz ihrer (evolutionär) kürzlichen Integration bereits hunderte Proteine importierten, die im Zellkern der Amöbe kodiert und von ihr synthetisiert werden. Bei langen (mit mehr als 200 Aminosäurebausteinen) importierten Proteinen – von denen viele Stoffwechselfunktionen ausüben – fanden die Forscher eine wichtige Besonderheit. Sie weisen eine Signalsequenz auf, die sie vermutlich für den Import ins Chromatophor markiert. Diese Sequenz ist quasi der Schlüssel, mit dem die Proteine die Hülle überwinden können, die das Chromatophor vom Rest des Zellinnern trennt.

Proteine aus unterschiedlichen Quellen

Das Chromatophoren-Importsignal unterscheidet sich stark von den Signalen, die in Pflanzenzellen den Import von Proteinen in die dortigen Plastiden steuern. Dennoch ist es möglich, mittels des Chromatophoren-Importsignals Proteine auch in Plastiden zu schleusen. Dazu hefteten die Forscher das Chromatophoren-Importsignal an spezielle leuchtende Proteine und stellten fest, dass die so präparierten Proteine von Plastiden in Tabakpflanzen aufgenommen wurden. Dies legt nahe, dass sich der Proteinimportmechanismus in Chromatophoren und in Plastiden gemeinsamer erhalten gebliebener Elemente aus Cyanobakterien und der Wirtszellen bedient.

Nowack weist auf ein weiteres bemerkenswertes Ergebnis hin: "Die wenigsten Proteine, die in das Chromatophor importiert werden, stammen von dessen cyanobakteriellem Vorgänger. Sie kommen vielmehr größtenteils von der Wirtszelle, teilweise aber auch von anderen ‚Beutebakterien‘." Proteine aus unterschiedlichen Quellen wurden also während der Etablierung des Chromatophors gemischt. Auch deshalb kann es so schwer sein, den evolutionären Ursprung verschiedener Zellorganellen zu entschlüsseln. (red, 13.9.2017)