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Sektion Phykologie

der Deutschen Botanischen Gesellschaft (DBG) e.V.

Pressemitteilung

6.1.2014

Alge des Jahres 2014: Chlamydomonas reinhardtii - schneller Schwimmer steht Modell

Algenforscher der Deutschen Botanischen Gesellschaft haben die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii zur Alge des Jahres auserkoren. Der auf der ganzen Welt verbreitete Einzeller misst Licht, schwimmt sehr schnell und wird nicht nur von Algen- und Pflanzenforschern sondern auch von Medizinern geschätzt. Die winzige Alge mauserte sich zum Modell, an dem die Forschergemeinde ganz verschiedene Dinge untersucht wie etwa: das unterschiedliche Verhalten tagsüber und nachts, die Mechanismen, welche ihre innere Uhr steuern, wie sie ohne echte Augen Licht wahrnimmt und wie sie diese Information anschließend an den Bewegungsapparat weiter leitet oder mit welchen Tricks sie es schafft, das Wasser, das sie ständig aufsaugt, wieder abzupumpen, damit sie nicht platzt. Sogar neue Forschungszweige in der Neurobiologie und Medizin etablierten sich ausgehend von C. reinhardtii; etwa die Optogenetik, die genetisch modifizierte Zellen als Lichtschalter einsetzt.

Die Grünalge C. reinhardtii schwimmt je nach Lichtintensität zum Licht hin oder wendet sich ab, um optimal Photosynthese zu betreiben und daraus Energie zu gewinnen. Wie sich die nur 10 Mikrometer kleine Alge, die 8-mal dünner als ein Blatt Papier ist, am Licht orientiert, ist zusätzlich von einer inneren Uhr kontrolliert. Die Algen nehmen das Licht hauptsächlich mit einem Augenfleck wahr, einem Sinnesorganell, das sich am Äquator der Zelle befindet, und ihnen hilft, ihre Umwelt zu analysieren. Wie die Forschenden herausfanden, besitzt die Grünalge mehrere Eiweiße, die sowohl die Menge als auch den Typ des Lichtes mit Hilfe sogenannter Photorezeptoren wahrnehmen können; einige dieser Rezeptoren liegen direkt im Augenfleck. „Chlamydomonas ist mit ihren bislang sechs untersuchten Lichtrezeptoren in der Lage, unterschiedliche Wellenlängen des Lichts zu erkennen, also UV-, Blau-, Grün-, Gelb- und Rotlicht“, erklärt die Algenforscherin Prof. Dr. Maria Mittag von der Universität Jena, die als Sprecherin eine acht-köpfige Wissenschaftlergruppe der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) koordiniert, welche gemeinsam „Licht-gesteuerte Reaktionen in einzelligen Modell-Algen“ erforscht. „Der Augenfleck besteht aus etwa 200 Eiweißen, darunter sind Lichtrezeptoren wie etwa die Kanalrhodopsine, die in der äußersten Membranschicht des Augenflecks eingelagert sind, als auch signalweiterleitende und strukturelle Eiweiße.“ führt Mittag aus.

Schwimmt 12-mal schneller als der Mensch

Da das Licht die vielen Schichten des Augenflecks nicht durchdringen kann, wird es von ihm reflektiert. So kann die Alge mittels schraubenförmiger Drehungen erkennen, aus welcher Richtung das Licht stammt und auch die Intensität des Lichts wahrnehmen. Die Informationen über Hell und Dunkel überträgt die Alge direkt an ihren Bewegungsapparat. Um zum Licht zu schwimmen, treibt sich die Alge dann wie ein Brustschwimmer mit zwei Geißeln vorwärts, die so ähnlich wie die Schwänze menschlicher Spermien aufgebaut sind. Wenn sie schwimmt legt sie 120 Mikrometer pro Sekunde zurück. Auf ihre Körpergröße von ungefähren 10 Mikrometern bezogen schwimmt sie etwa 12-mal so schnell wie der derzeitige Weltrekordhalter über 50 Meter Brustschwimmen, Cameron van der Burgh.  

Auch im All mit eigenem Rhythmus

Um herauszufinden, ob der ausgeprägte Tag- und Nacht-Rhythmus der Algenwinzlinge – ähnlich wie bei uns Menschen – von einer inneren Uhr gesteuert wird, brachten Forschende die Algen ins Dauerdunkel. Auch dort läuft der Rhythmus mit einer Periode von ungefähr 24 Stunden weiter – die Algen wissen immer noch, wann es eigentlich Tag oder Nacht wäre. Chronobiologen bezeichnen dies als circadianen Rhythmus und unterscheiden den subjektiven Tag bzw. die subjektive Nacht. Registrieren die Grünalgen Lichtpulse während ihres subjektiven Tages, so schwimmen sie auf das Licht zu; werden sie aber während ihrer subjektiven Nacht mit kleinen Lichtpulsen angestrahlt, bewegen sie sich nicht. Diesen Tag-Nacht-Rhythmus haben die Forscher schon vor einiger Zeit im Weltall untersucht, wo er über Tage hinweg weiter schwingt. Die winzigen Algen halten sich also nicht nur auf unserer Erde sondern auch im All an die genaue Tageszeit. Und ebenso wie wir Menschen das Sonnenlicht nutzen, um die innere Uhr etwa bei Jetlag wieder anzupassen, nutzt auch die Grünalge C. reinhardtii Licht, um ihre innere Uhr bei Verschiebungen immer wieder mit dem umgebenden Hell-Dunkel-Rhythmus zu synchronisieren.

Zum Modell avanciert

Zum Modellorganismus avancierte C. reinhardtii, weil sich die Funktionen seiner Organellen und seine Verhaltensweisen recht einfach an verschiedenen Mutanten studieren lassen. Denn die ungeschlechtlichen Zellen der Grünalge sind haploid, enthalten nur eine einzige Kopie der Erbsubstanz und nicht zugleich eine mütterliche sowie eine väterliche. Eine Veränderung der nur in Einzahl vorliegenden Gene wirkt sich daher schnell auf das Erscheinungsbild aus. Inzwischen existieren zahlreiche Mutanten von C. reinhardtii, die sich bereits rein äußerlich vom Wildtyp unterscheiden und etwa keinen Augenfleck haben oder keine Geißeln. Gut erforschen lässt sich bei C. reinhardtii auch die Photosynthese. Denn bei den allermeisten Algenarten sind Mutanten, die eine Fehlfunktion in der Photosynthese-Maschinerie haben, nicht zu untersuchen, weil sie mangels eigener Energiegewinnung absterben. Da C. reinhardtii auch Acetat als Kohlenstoffquelle nutzen kann, eignen sich manche ihrer Mutanten auch dazu, die Photosynthese zu erforschen. Der Forschergemeinde hilft es außerdem, dass das Genom der Alge inzwischen vollständig sequenziert ist. Demnach umfasst die Erbsubstanz mehr als 15.000 Gene, die teilweise mit pflanzlichen Genen übereinstimmen, aber auch Gemeinsamkeiten mit tierischen Genen zeigen.

Pumpt Wasser ohne Muskeln

Zahlreiche Stoffe sind in der einzelligen Alge gelöst, sodass der Zellsaft sehr viel konzentrierter ist, als das umgebende Süßwasser. Wie ein Schwamm saugt C. reinhardtii daher ständig Wasser aus der Umgebung auf. Um nicht zu platzen, muss sie den Wasserüberschuss wieder los werden. Ein Problem, das die Mikroalge mit vielen im Süßwasser lebenden Organismen teilt. „Die Alge Chlamydomonas pumpt überschüssiges Wasser aktiv aus der Zelle und erledigt dies mit ihrer Vakuole, die sie zusammenziehen kann“, sagt PD Dr. Burkhard Becker von der Uni Köln, dessen Team den Pump-Mechanismus erforscht. Zwar sei genau bekannt, wie das Wasser in die Zelle einströme, aber wie sie das Wasser herauspumpe, sei noch Neuland. „Wir wissen bislang nur, dass weder Aktin- noch Myosin-Eiweiße beteiligt sind, die in Muskeln arbeiten; es muss also ein anderer Mechanismus sein.“

Preisgekröntes Forschungsfeld

Die Analyse der Lichtwahrnehmung von C. reinhardtii brachte einen völlig neuen Forschungszweig hervor. Wie Prof. Dr. Peter Hegemann und Prof. Dr. Georg Nagel als erste herausfanden, funktioniert eine Gruppe der Photorezeptoren – die Kanalrhodopsine von C. reinhardtii – wie ein durch Licht gesteuerter Kanal, der den Durchlass einzelner Ionen durch die Zellmembranen reguliert. Diese Kanalrhodopsine werden nun wie Lichtschalter etwa in der Neurobiologie eingesetzt, um medizinisch relevante Vorgänge in Echtzeit in lebenden Zellen zu untersuchen und mit Lichtimpulsen zu steuern. Für diese Entdeckung erhielten die beiden Mitglieder der Sektion Phykologie, in der die Algenforscher der DBG organisiert sind, 2013 den mit 700.000 Schweizer Franken dotierten Louis-Jeantet-Preis für Medizin sowie Hegemann 2012 den mit 2,5 Millionen Euro dotierten Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

Alge als Spermienersatz

Andere Mediziner arbeiten mit dem Modell C. reinhardtii, um Geißelbewegungen zu studieren. Denn die beiden Geißeln der Grünalge ähneln sowohl den Schwänzen menschlicher Spermien in Struktur und Funktion als auch anderen beweglichen Geißeln – meist als Flimmerhärchen bezeichnet. Flimmerhärchen verrichten im Menschen viele verschiedene Aufgaben, wie etwa den Eizelltransport im Eileiter oder den Abtransport  von Schmutzpartikeln in den Atemwegen. Defekte in den Geißeln können zu Krankheiten führen, wie etwa zur Links-Rechts Asymmetrie, bei der das Herz oder andere Organe auf der falschen Körperseite zu liegen kommen oder etwa zu Nierenerkrankungen. Die beim Geißelantrieb involvierten Eiweiße sind in der Mikroalge einfacher zu untersuchen als etwa in menschlichen Spermien. Auch hier helfen zahlreiche Algen-Mutanten, in denen diese Eiweiße defekt sind. Zudem lassen sich beliebige Algen-Mengen in relativ kurzer Zeit kultivieren, um genügend Material zu haben, die winzigen Teile des Zellinneren oder Teile der Geißeln zu isolieren und anschließend zu untersuchen. Die Wissenschaftler haben in den Geißeln weit über 500 verschiedene Eiweiße gefunden, die sie nun näher untersuchen wollen.

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Unter dem Mikroskop erscheinen Geißeln und Augenfleck ... mehr

Kultur von C. reinhardtii teils auf Agar teils... mehr

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Video: C. reinhardtii pumpt Wasser ohne Muskeln ... mehr

Bilder

Die lichtmikroskopische Aufnahme der nur 10 Mikrometer langen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii zeigt die beiden Geißeln, welche die Grünalge zum Schwimmen nutzt (oben) sowie den Augenfleck, mit dem die Alge Licht wahrnimmt. Der Augenfleck (Pfeil) erscheint gelblich, weil er gelb-orange Carotinoid-Farbstoffe enthält (unten).

Fotos: © Thomas Nolte und Maria Mittag, Universität Jena
Geißeln: Web-Auflösung
Geißeln: 
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Augenfleck:  Web-Auflösung
Augenfelck: 
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Da die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii sowohl in feuchten Böden als auch im Süßwasser vorkommt, lässt sie sich im Labor sowohl auf Agar-Platten als auch in Nährlösungen (links) kultivieren.

Fotos: © Thomas Nolte und Maria Mittag, Universität Jena
Agarplatte:  Web-Auflösung
Agarplatte: Print-Auflösung (tif-Datei)

Flüssigkultur:  Web-Auflösung
Flüssigkultur:
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Wie Immunofluoreszenz-Aufnahmen zeigen, existiert eine Verbindung zwischen dem Augenfleck und der nächstliegenden  Geißel der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Die beiden Geißeln sind grün markiert und über das ebenfalls grün markierte Zytoskelett mit dem nur im Augenfleck vorkommenden Lichtrezeptor Kanalrhodopsin 1 verbunden, der hier magenta-farben markiert ist. Der Antikörper gegen Kanalrhodopsin 1 wurde freundlicher weise von Peter Hegemann zur Verfügung gestellt.

Foto: © Thomas Nolte und Maria Mittag, Universität Jena
Web-Auflösung
Print-Auflösung (tif-Datei)

Videos

Das Video zeigt die schraubenförmigen Schwimmbewegungen von Chlamydomonas reinhardtii im Lichtmikroskop. Bezogen auf die Körpergröße schwimmt die Grünalge 12-mal schneller als der Weltrekordhalter über 50 Meter Brustschwimmen.

Video: © Thomas Nolte und Maria Mittag, Universität Jena

Video ansehen bei der Digitalen Bibliothek Thüringen

Ein Flüssigkeitsstrom drückt drei Chlamydomonas reinhardtii-Zellen in Taschen, um sie festzuhalten. Im vier-mal so schnellen Video sind die Geißelbewegungen sichtbar und das Zusammenziehen der kontraktilen Vakuolen, die neben den Geißelverankerungen liegen, mit der sie überschüssiges Zellwasser abpumpen.

© Karin Komsic-Buchmann und Burkhard Becker, Universität zu Köln.

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Die Bilder und Videos sind freigegeben zur Verwendung in Zusammenhang mit der redaktionellen Berichterstattung über das Thema „Alge des Jahres 2014“ unter Nennung der jeweiligen Urheber und ihrer Institute. Für andere Nutzungsformen kontaktieren Sie bitte die Urheber.

Literatur

Mergenhagen, 1986, Naturwissenschaften 73: 410-412
Merchant et al., 2007, Science 318: 245-251
Hegemann, 2008, Annual Review Plant Biology 59: 167-189
Schulze et al., 2010, Protoplasma 244: 3-14
Informationen zur Alge sind auch auf www.chlamy.org zu finden.

Ansprechpartner dieser Pressemitteilung

Professorin Dr. Maria Mittag

Expertin für molekularbiologische Mechanismen von Tag-Nacht-Rhythmen in Mikroalgen, insbesondere in der Grünalge Chlamydomonas und Mitglied des Vorstands der Sektion Phykologie

Institut für Allgemeine Botanik und Pflanzenphysiologie, Friedrich-Schiller Universität Jena, Am Planetarium 1, 07743 Jena

Web: www.uni-jena.de/Professur_fuer_Allgemeine_Botanik.html

Tel.: ++49 (0)3641 – 949 201

E-Mail: M.Mittag@uni-jena.de

PD Dr. Burkhard Becker

Experte für kontraktile Vakuolen und Mitglied des Vorstands der Sektion Phykologie

Botanisches Institut, Universität Köln, Zülicherstr. 47b, 50674 Köln, Germany

Web: www.uni-koeln.de/math-nat-fak/botanik/bot1/AGBecker/index.htm

Tel.: ++49 (0)221-4707022

E-Mail: b.becker@uni-koeln.de

Informationen über die Sektion Phykologie

Die Mitglieder der Sektion Phykologie (www.dbg-phykologie.de) untersuchen Algen wissenschaftlich und bearbeiten ökologische, physiologische, taxonomische und molekularbiologische Fragestellungen an Mikro- und Makroalgen. Die Sektion fördert die Algenforschung und unterstützt den wissenschaftlichen Nachwuchs. Sie ist eine der fünf Fachsektionen der Deutschen Botanischen Gesellschaft e. V. (DBG: www.deutsche-botanische-gesellschaft.de)