Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universit?t Jena und der Leibniz-Institute in Jena haben neue Erkenntnisse zum Verst?ndnis der Anpassungsf?higkeit der Mikroalge Chlamydomonas reinhardtii ver?ffentlicht. Die interdisziplin?re Studie, die ma?geblich durch Forschende des Exzellenzclusters ?Balance of the Microverse“ durchgeführt wurde, zeigt, wie die winzige Grünalge unter natürlichen Bedingungen ihre Gestalt und ihren Stoffwechsel ohne Ver?nderung des Genoms anpassen kann.

Die Forschungsarbeit wurde heute (6.12.) in der Fachzeitschrift ?New Phytologist“ ver?ffentlicht. Das Forschungsteam untersuchte, wie die grüne Mikroalge?Chlamydomonas reinhardtii, ein Modellorganismus der Biologie, in einer acetat-reichen, r?umlich strukturierten Umgebung, die natürlichen Reisfeldb?den nachempfunden ist, eine Art "Metamorphose" durchl?uft. In ihrer natürlichen Umgebung findet man die Alge h?ufig in nassen B?den, wie Reisfeldern, die acetat-reich sind und wo sie mit anderen Mikroorganismen koexistiert. Die Zellen der Alge sind normalerweise etwa 10 Mikrometer gro?, tragen zwei Gei?eln und besitzen ein primitives Auge, den sogenannten ?Augenfleck“, das für lichtgesteuerte Bewegungen verantwortlich ist.

Die Forschenden fanden heraus, dass sich die winzige Alge unter den simulierten Bedingungen signifikant anpasst: Die Zellgr??e wird weiter verkleinert, die Gei?eln werden kürzer, das Augenfleckvolumen nimmt zu, und die Zellwand wird verst?rkt. Diese Ver?nderungen erleichtern das ?berleben in der komplexen, von Mikroorganismen gepr?gten und teils anaeroben Umgebung. Darüber hinaus reguliert die Alge die Menge ihrer lichtempfindlichen Rezeptoren und produziert vermehrt Kohlenhydrate in Form von St?rke. Die Simulation der natürlichen Bedingungen von Reisfeldern erm?glicht es, die Wechselwirkungen zwischen Algen und ihrer Umgebung besser zu verstehen. Die Anpassung an diese Umgebungen ist notwendig, da die Alge in Konkurrenz mit anderen Mikroorganismen steht und oft Stressbedingungen ausgesetzt ist, wie sie in diesen B?den auftreten.

?Unsere Studie zeigt, wie wichtig es ist, Mikroorganismen nicht nur unter Laborbedingungen zu untersuchen, sondern auch in Umgebungen, die ihrer natürlichen Lebenswelt ?hneln“, betont Maria Mittag, Professorin für Allgemeine Botanik und korrespondierende Autorin des Beitrags. ?Erst unter solchen Bedingungen offenbaren sich tiefgreifende Anpassungsmechanismen, die im Labor nicht beobachtet werden.“ Zusammen mit der Arbeitsgruppe von Prof. Pierre Stallforth, Professor für Bioorganische Chemie und Pal?obiotechnologie, haben Forschende beider Professuren, eine r?umlich strukturierte 3D-Umgebung für die Algen geschaffen.

Die Forschungsarbeit zeigt die interdisziplin?re Zusammenarbeit im Exzellenzcluster ?Balance of the Microverse“Externer Link in Jena. Fachwissen aus Mikrobiologie, Botanik, Photonik und Bioinformatik wurde kombiniert, um die Anpassungen von?Chlamydomonas reinhardtii zu untersuchen. Dr. Patrick Then und Dr. Martin Westermann hielten die ver?nderte Gestalt der Alge bildlich fest. Die Expertise der Arbeitsgruppen von Prof. Maria Mittag im Bereich der Algenbiologie und von Prof. Jürgen Popp in der Raman-spektroskopischen Analyse erm?glichte es, Ver?nderungen im St?rke-Stoffwechsel auf subzellul?rer Ebene zu visualisieren.

?Die Kombination aus innovativen optischen Technologien und interdisziplin?ren Ans?tzen hat es uns erm?glicht, einen umfassenden Einblick in die biologischen Anpassungen von?Chlamydomonas reinhardtii zu gewinnen“, erl?utert Prof. Jürgen Popp die Notwendigkeit für die fachübergreifende Form der Zusammenarbeit.

Es kam für die Autorinnen und Autoren überraschend, dass allein die Umstellung der Anzuchtbedingungen zur Hoch- oder Herunter-Regulation bestimmter Gene bzw. Eiwei?e und letztendlich von Stoffwechselwegen führte, ohne die Notwendigkeit der Ver?nderung des Genoms. Die Erkenntnisse k?nnten langfristig in der Biotechnologie Anwendung finden, beispielsweise in der Produktion nachhaltiger Biokraftstoffe.