Wenn der Druck steigt, werden Archaeen multizellulär
Mechanische Kompression induziert multizelluläre Organisation in Archaeen
In einer Entdeckung, die unser Verständnis der grundlegenden Organisation des Lebens neu definiert, haben Forscher der Brandeis University, des MRC Laboratory of Molecular Biology und des Max-Planck-Instituts für Biologie Tübingen herausgefunden, dass mechanische Kompression die Bildung gewebeähnlicher multizellulärer Strukturen in Archaeen induzieren kann. Diese neue Erkenntnis, die sich auf das Haloarchaeon Haloferax volcanii konzentriert, offenbart einen bisher unbekannten Weg für die Entstehung von Vielzelligkeit in diesem Bereich des Lebens und bietet neue Einblicke in die evolutionären Ursprünge der vielzelligen Komplexität in allen lebenden Organismen.
Auf den Punkt gebracht
- Induktion von Multizellularität: Forscher fanden heraus, dass das salzliebende Archaeon Haloferax volcanii bei mechanischer Kompression von einem einzelligen Zustand in gewebeartige Cluster übergehen kann, die neue mechanische und biologische Eigenschaften aufweisen.
Die Bausteine des Lebens neu betrachtet: Die Ergebnisse zeigen, dass Archaeen, die oft als einfache Organismen angesehen werden, eine bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit aufweisen können, was möglicherweise Aufschluss darüber gibt, wie vielzelliges Leben als Reaktion auf Umweltbelastungen entstanden ist und sich weiterentwickelt hat.
Einblicke in die Evolution: Diese Studie stellt die aktuelle Auffassung von Evolution in Frage, indem sie zeigt, dass physikalische Kräfte und genetische Veränderungen zusammenwirken können, um die Entwicklung komplexer Lebensformen zu fördern, was darauf hindeutet, dass die Entstehung von Vielzelligkeit einfacher sein könnte, als bisher angenommen.
Archaeen – neben Bakterien und Eukaryoten eine der drei Hauptdomänen des Lebens – werden oft übersehen und manchmal aufgrund ihrer Einzelligkeit und des Fehlens eines Zellkerns mit Bakterien verwechselt. Dennoch kommen Archaeen in verschiedenen Umgebungen vor, vom Plankton im Ozean bis zum menschlichen Mikrobiom. Trotz ihrer oberflächlichen Ähnlichkeit mit Bakterien deutet ihr Erbgut seit langem auf eine engere evolutionäre Beziehung zu Eukaryoten hin, der Domäne, die Pflanzen und Tiere umfasst. Diese neue Studie deckt eine bemerkenswerte Fähigkeit von Archaeen auf, sich unter bestimmten physikalischen Bedingungen über ihre einzellige Existenz hinaus zu organisieren.
Fasziniert von der einzigartigen Kombination genetischer und struktureller Merkmale in Archaeenzellen – insbesondere ihrer proteinhaltigen Oberflächenschicht anstelle einer starren Zellwand – versuchten Forscher der Brandeis University, des MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge und des Max-Planck-Instituts für Biologie in Tübingen, die Mechanobiologie dieser uralten Organismen zu erforschen. Diese Zusammenarbeit wurde durch ein Stipendium des Human Frontier Science Program (HFSP) unterstützt. Der leitende Forscher Alex Bisson von der Brandeis University erklärt: „Das Fehlen einer kovalent gebundenen Zellwand deutet auf eine dynamischere, aber weniger starre Struktur hin, was zu der Hypothese führt, dass Archaeen ‚matschig‘ und empfindlich gegenüber mechanischen Reizen sein könnten.“ Diese anfängliche Neugier führte zu einer unerwarteten und bedeutenden Entdeckung.
Ihre Forschung führte zur zufälligen Identifizierung von Mehrzelligkeit in allen drei Domänen des Lebens und zeigte die Bedeutung mechanischer Kräfte bei der Bildung von Archaeen-Geweben. „Unsere Arbeit zeigt, dass die Entstehung von Komplexität im Leben nicht auf einige wenige spezielle Äste im Stammbaum des Lebens beschränkt ist – es handelt sich um eine tiefere Eigenschaft, die selbst in Abstammungslinien vorhanden ist, die wir lange übersehen haben“, bemerkte Vikram Alva, Co-Hauptautor vom Max-Planck-Institut für Biologie Tübingen. Pedro Escudeiro, Postdoktorand in der Alva-Gruppe, fügte hinzu: „Diese Arbeit unterstreicht auch die Bedeutung der Kombination von vergleichender Genomik und beobachtbaren Merkmalen, um Gene hinter neuartigen Verhaltensweisen aufzudecken – ein Ansatz, der seit langem Entdeckungen bei Pflanzen und Tieren vorantreibt.“
Die Rolle mechanischer Kräfte bei der Multizellularität
Bei der Arbeit mit Haloferax volcanii, einem widerstandsfähigen Archaeon, das in extremen Umgebungen wie Salzseen gedeiht, beobachtete das Team eine erstaunliche Transformation. Anstatt sich der typischen Zellteilung zu unterziehen, wuchsen die Zellen bei mechanischer Kompression größer und organisierten sich in gewebeähnlichen Anordnungen, die mehrere Sätze genetischen Materials enthielten.
In ihrer Studie beschreiben sie, wie die flexible äußere Proteinschicht zu adaptiven Wachstumsstrategien beiträgt. „Es war Theopi Rados, die als Erstautorin das Projekt leitete und dieses bemerkenswerte Verhalten erstmals beobachtete und beschrieb“, sagte Alex Bisson. „Wie Olivia Leland, Mit-Erstautorin, es treffend ausdrückte – es ist, als ob die Zellen zusammengedrückt und dann ermutigt würden, breiter und höher zu wachsen, eher wie ein aufgehender Sauerteiglaib als wie bei der traditionellen Zellteilung“, erklärte Alex Bisson.
Da die Zellen einem bestimmten Druck ausgesetzt waren, wandelten sie sich von Einzelorganismen zu miteinander verbundenen Zellgemeinschaften. „Dass ein solches Verhalten durch eine einfache physische Einschränkung ausgelöst werden kann und eine Umgestaltung des Zytoskeletts sowie eine koordinierte Zellularisierung beinhaltet, deutet darauf hin, dass die Fähigkeit zur strukturellen Organisation in der Biologie tiefer geht als bisher angenommen“, bemerkte Theopi Rados.
„Die Tatsache, dass Archaeen komplexe gewebeähnliche Strukturen hervorbringen können, deutet darauf hin, dass die Natur komplexe Merkmale aus scheinbar einfachen Rohstoffen entwickeln kann“, fügt Alex Bisson hinzu. „Indem wir nur einen Bruchteil der natürlichen Vielfalt offenbaren, könnten wir unsere intellektuellen und medizinischen Bedürfnisse voranbringen.“
Tanmay Bharat, einer der Hauptautoren vom MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, unterstreicht die weitreichenderen Auswirkungen der Forschung an Archaeen auf die Mehrzellularität: „Wir haben festgestellt, dass mechanische Kompression Mehrzellularität induziert – ein überraschendes Ergebnis, um es milde auszudrücken!“ Er weist außerdem darauf hin, dass diese Entdeckung die Frage aufwirft, ob andere einzellige Organismen möglicherweise eine ähnliche latente Fähigkeit besitzen, als Reaktion auf Umwelthinweise Mehrzellularität zu entwickeln.
Obwohl allgemein bekannt ist, dass Archaeen es nicht mögen, eingeengt zu sein, wahrscheinlich weil ihre Zellhüllenstruktur empfindlicher ist als die anderer Mikroben, haben Archaeen-Gewebe unserem Verständnis von Multizellularität nun eine weitere Facette hinzugefügt. Diese Forschung ermutigt andere Wissenschaftler, zu erforschen, ob die Anwendung ähnlicher Reize andere normalerweise einzellige Organismen dazu veranlassen könnte, in die Multizellularität überzugehen. Wie viele weitere Entwicklungswege können wir noch entdecken?
