Forschung findet Beweise für eine unkonventionelle Theorie der Zellevolution
Die von aus Urzeiten stammenden Bakterien eingesetzten Mechanismen zur Koordinierung ihrer Reaktionen auf Umweltveränderungen könnten nach einer Entdeckung von Forschern aus dem Vereinigten Königreich gleichsam eine Erklärung dafür liefern, auf welche Weise Pflanzen und Algen die Photosynthese steuern. Mithilfe dieses Prozesses wandeln Pflanzen Sonnenlicht in Energie um. Die in den Proceedings of the Royal Society: B veröffentlichte Studie liefert einen Beweis für eine überaus interessante Theorie der Zellevolution, die erstmals 1993 aufkam. Cyanobakterien (ursprünglich Blaualgen genannt) gewinnen ihre Energie aus der Photosynthese. Sie reagieren über eine Art Signalübermittlungssystem mit zwei Komponenten, einem Sensor und einem Regler, in verschiedener Weise auf Umweltveränderungen. Während dieses Zweikomponentensystem scheinbar ein Merkmal der Bakterien ist, so ist es aber nun nachgewiesen, dass es auch in Pflanzen und Algen überdauert hat und es von diesen in gleicher Weise eingesetzt wird, um Signale zur Steuerung der Photosynthese auszusenden. Das Zweikomponentensystem ist in den Chloroplasten sichtbar, den Strukturen in Pflanzenzellen, die für die Photosynthese verantwortlich sind. Den neuen Forschungsergebnissen zufolge spielen die Zweikomponentensysteme eine wesentliche Rolle bei der Verknüpfung der Photosynthese mit der Genexpression und bestimmen, wie sich Pflanzen an verändernde Umweltbedingungen anpassen können. Dr. Sujith Puthiyaveetil von der Queen Mary's School of Biological and Chemical Sciences im Vereinigten Königreich äußert dazu: "Wir wissen bereits, dass die Zweikomponentensysteme als eine Art Ein- und Ausschalter für Gene in Bakterien wirken. Aber das Überleben dieser für Bakterien typischen Ein-/Ausschalter in Chloroplasten deutet auf ein neues Modell der Genregulation bei Pflanzen hin." Professor John Allen meinte ergänzend: "Für viele wird es wohl [ein] Schock sein, zu erfahren, dass innerhalb pflanzlicher Zellen (und wahrscheinlich auch tierischer Zellen) einige Nachrichten mithilfe des gleichen Telegrafensystems versandt werden, wie man es bei 'primitiven' Bakterien vorfindet. Es kommt sozusagen in etwa der Entdeckung eines Morsealphabets in unseren Computernetzwerken oder einer Wachswalze im Herzen unserer neuen glänzenden Digital-HiFi-Anlage gleich. Für uns jedoch stellt diese Entdeckung einen Aufsehen erregenden Beweis für eine vor 16 Jahren erstmals veröffentlichte, völlig unorthodoxe Theorie der Zellevolution dar." Chloroplasten wie auch Mitochondrien sind hoch spezialisierte Strukturen innerhalb von Zellen. Beide haben eigene funktionale Genome und einen Genexpressionsapparat, der von dem des Zellkerns getrennt ist. Chloroplastengene enthalten die Informationen, die erforderlich sind, um die Proteine herzustellen, die an der Photosynthese beteiligt sind. Das Zweikomponentensystem scheint als eine Form der Signalaussendung innerhalb der Chloroplasten von Pflanzen und Algen überlebt zu haben. Regelnde Signale aus einem Teil dieses Systems legen zum Beispiel durch Befehle zur Änderung des oxidativen Zustands der Energie umwandelnden Komponenten fest, wie die Genexpression in den Chloroplasten ausfällt. "Sollten die Chloroplasten und Mitochondrien für die Ausprägung der Zweikomponentensysteme bei Eukaryoten [Tiere, Pflanzen, Pilze und Algen] verantwortlich sein", so die Studie, "so ergibt sich die überaus interessante Frage, ob diese Organellen selbst die Zweikomponentensysteme von ihren bakteriellen Vorfahren übernommen haben. Die Antwort für die Chloroplasten kennen wir nun. Und sie lautet schlicht und einfach 'Ja'." Die Forscher gehen davon aus, dass die Zweikomponentensysteme die Photosynthese mit der Genexpression in Zusammenhang bringen. "Die Gene befinden sich daher in den Chloroplasten und bilden die Grundlage einer zytoplasmatischen [extranuklearen], nicht-Mendelschen Vererbung", verdeutlichen die Autoren. (Extranukleare Vererbung beinhaltet die Übertragung von Genen, die sich außerhalb des Zellkerns befinden; Mendelsche Vererbung bezieht sich auf die Prinzipien der Vererbung, wie wir sie uns generell vorstellen; diese wurden 1865 von Gregor Mendel dargelegt.) "Die Photosynthese wirkt auf Chloroplastengene ungefähr so, dass eine Stimme und eine zeitlich passende Antwort in einem Dialog geschaffen werden, der zwischen dem Chloroplasten und dem Zellkern stattfindet", verdeutlichen die Forscher. "Die Zweikomponentensysteme in Chloroplasten stammen von urzeitlichen Cyanobakterien her und verkörpern ein Signalsystem, das auf diese Weise nicht die Evolution überdauert haben kann", so die Studie. Die in Chloroplasten und Cyanobakterien vorhandenen Zweikomponentenysteme, so die Studie abschließend, "sind Schlüssel zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen Photosynthese und Genexpression und können gleichsam die Folgen dieses Zusammenhangs für die Evolution eukaryotischer Zellen veranschaulichen."
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Vereinigtes Königreich