Organismen ohne Zellkern sind komplexer als bislang angenommen
Wissenschaftler weisen räumliche Trennung von Informationsverarbeitung und Energiestoffwechsel in einem Prokaryoten nach.
Höhere Zellen zeichnen sich durch eine räumliche Trennung wichtiger zellulärer Funktionen aus. Sie haben einen Zellkern, der das Erbgut enthält, ein Cytoplasma, in dem die Informationsverarbeitung sowie die Proteinsynthese abläuft und Organellen wie Mitochondrien, in denen die Energieproduktion der Zellen stattfindet. Demgegenüber sind Prokrayoten (zumeist einzellige Organismen ohne Zellkern) einfacher aufgebaut: ein Cytoplasma, in dem all diese Funktionen vereinigt sind, ist von der schützenden cytoplasmatischen Membran umschlossen. Einige Bakterien haben darüber hinaus eine zweite äußere Membran, die die Zellen vor Umwelteinflüssen schützt. Der sich daraus ergebende Zwischenraum (Periplasma) gilt aber in der Regel als reaktionsarmer Bereich und entspricht eher dem Milieu des umgebenden Lebensraums als dem des Zellinneren.
Elektronenmikroskopische Darstellung einer Ignicoccus hospitalis Zelle. Die schwarzen Markierungen zeigen die Lage der Enzym-Komplexe (ATP-Synthase) in der äußeren Membran (ÄM) von Ignicoccus hospitalis (erreicht durch spezifische Antikörpermarkierung), Ultradünnschnitt, Maßstab: 1/1000 mm, (C = Cytoplasma; IM = innere Membran, ÄM = äußere Membran: IR = Intermembranraum).
[Bildquelle: Uni Regensburg]
Vor einigen Jahren wurde am Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie der Universität Regensburg das Archaeon (Urbakterium) Ignicoccus hospitalis ("gastliche Feuerkugel") aus einem untermeerischen Vulkangebiet um Island isoliert. Durch eine optimale Wachstumstemperatur von 90°C und der Verwertung von Schwefel, Wasserstoff und Kohlendioxid ist es bestens an solche urtümlichen Biotope angepasst. Als Besonderheit verfügt Ignicoccus hospitalis als einziges Archaeon über zwei Membranen und über einen ungewöhnlich großen Intermembranraum, über dessen Funktion bislang nur spekuliert wurde.
Jetzt hat eine Gruppe von Wissenschaftlern der Universität Regensburg um PD Dr. Reinhard Rachel, Dr. Harald Huber, Ulf Küper und Carolin Meyer in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Volker Müller von der Goethe Universität Frankfurt am Main die Entdeckung gemacht, dass bei diesem Mikroorganismus die äußerste Membran der Ort der Energieproduktion ist. Im Rahmen ihrer Untersuchungen konnten die Forscher nachweisen, dass sich bei Ignicoccus die für die Energiegewinnung maßgeblichen Enzyme und Enzymkomplexe in dieser Membran und nicht etwa in der inneren Cytoplasmamembran befinden. Zudem zeigten die Experimente eindeutig, dass die innere Membran die DNA umschließt.
Zum ersten Mal konnte damit für einen Prokaryoten eine räumliche Trennung von Energiegewinnung und anderen zellulären Prozessen - wie zum Beispiel der Biosynthese von Proteinen und Nukleinsäuren - nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse werfen zahlreiche weiterführende Fragen auf. So dürfte die Form der Kommunikation zwischen den beiden Zellbestandteilen sowie Überlegungen zur allgemeinen Definition einer cytoplasmatischen Membran im Zentrum künftiger Arbeiten stehen. Möglicherweise, so die Forscher, stellt Ignicoccus sogar einen Vorläufer auf dem Weg zu den höheren Organismen (Eukaryonten) dar, bei denen zahlreiche membranumhüllte Organellen die unterschiedlichen Aufgaben (Energiegewinnung, Informationsweitergabe) in den Zellen übernommen haben.
Quellen und Artikel:
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Ulf Küper, Carolin Meyer, Volker Müller, Reinhard Rachel, and Harald Huber: Energized outer membrane and spatial separation of metabolic processes in the hyperthermophilic Archaeon Ignicoccus hospitalis. In: Proceedings of the National Academy of Sciences; PNAS published online before print February 1, 2010 DOI: 10.1073/pnas.0911711107 URL: direct link
