ETH Zürich und Universität Wien: Dem Ursprung komplexer Lebewesen auf der Spur

Wie sind komplexe Lebewesen auf der Erde entstanden? Die Arbeitsgruppen von Martin Pilhofer an der ETH Zürich und Christa Schleper an der Universität Wien sind der Antwort nun einen Schritt nähergekommen. Den Forscher*innen gelang es, ein besonderes Archaeon zu kultivieren und mittels mikroskopischer Methoden zu charakterisieren. Dieser Vertreter der Asgard-​Archaeen weist einzigartige zelluläre Merkmale auf und könnte ein evolutionärer „Missing Link“ hin zu den komplexeren Lebensformen sein.

Die Lebewesen auf der Erde werden in drei grosse Domänen eingeteilt: Eukaryoten, Bakterien und Archaeen. Eukaryoten beinhalten die Gruppen der Tiere, Pflanzen und Pilze. Ihre Zellen sind in der Regel weitaus grösser und auf den ersten Blick komplexer als Zellen von Bakterien und Archaeen. Das genetische Material der Eukaryoten ist zum Beispiel in einem Zellkern verpackt und die Zellen verfügen darüber hinaus über eine Vielzahl von weiteren Kompartimenten. Die Zellform und der Transport innerhalb der eukaryotischen Zelle basiert ausserdem auf einem ausgedehnten Zytoskelett. Wie gelang jedoch der evolutionäre Sprung zu solch komplexen eukaryotischen Zellen?

Die meisten derzeitigen Modelle gehen davon aus, dass Archaeen und Bakterien bei der Entwicklung der Eukaryoten eine zentrale Rolle gespielt haben. Es wird angenommen, dass vor etwa zwei Milliarden Jahren eine eukaryotische Urzelle aus einer engen Symbiose zwischen Archaeen und Bakterien entstand. Im Jahr 2015 wurden durch Genomstudien von Umweltproben der Tiefsee die Gruppe der sogenannten „Asgard-​Archaeen“ entdeckt, welche im Stammbaum die nächsten Verwandten der Eukaryoten darstellen. Leider konnten bisher keine Vertreter der Asgard-​Archaeen so gut kultiviert werden, dass eine eingehende Charakterisierung der Zellstruktur und Zellbiologie möglich gewesen wäre.

Kryo-​Elektronentomographie

Kryo-​Elektronentomographie verschaffte einen Einblick in die zelluläre Struktur eines neu kultivierten Asgard-​Archaeons. Bemerkenswert sind die ausgedehnten Aktin-​Zytoskelett Filamente (orange) in den Zellkörpern und Zellfortsätzen, sowie die einzigartig aufgebaute Zellhülle (blau). Image credit: Margot Riggi, The Animation Lab, University of Utah. Bild ZVG ETH Zürich 

Der Arbeitsgruppe von Christa Schleper an der Universität Wien gelang es nun, einen Vertreter dieser Gruppe in Kultur zu bringen. Er stammt aus Meeressedimenten von der Küste nahe Piran in Slowenien.

Wegen seines Wachstums zu relativ hohen Zelldichten, kann dieser Vertreter besonders gut untersucht werden. „Es war eine sehr aufwändige Feinarbeit, diesen extrem empfindlichen Organismus in einer stabilen Kultur im Labor zu erhalten“ berichtet Thiago Rodrigues, einer der Erstautoren der Studie.

Asgard-​Archaeen haben eine komplexe Zellform mit ausgedehntem Zytoskelett

Der bemerkenswerte Erfolg der Wiener Forscher*innen mit der Kultivierung eines Asgard-​Vertreters erlaubte schliesslich die eingehende Untersuchung der Zellen durch Mikroskopie. Die ETH Forscher*innen der Gruppe von Martin Pilhofer verwendeten dazu ein modernes Kryo-​Elektronenmikroskop um Bilder von schockgefrorenen Zellen aufzunehmen.

„Diese Methode ermöglicht einen dreidimensionalen Einblick in die Mechanismen im Inneren der Zellen“, erläutert Pilhofer. „Die Zellen bestehen aus runden Zellkörpern mit dünnen, teilweise sehr langen Zellfortsätzen. Diese Tentakel-​ähnlichen Gebilde scheinen manchmal sogar unterschiedliche Zellkörper miteinander zu verbinden“ so Florian Wollweber, der die Zellen monatelang im Mikroskop aufgespürt hat. Die Zellen enthalten ausserdem ein ausgedehntes Netzwerk aus Aktin-​Filamenten, wie man es so nur von eukaryotischen Zellen kennt. Dies weist darauf hin, dass ausgedehnte Zytoskelett-​Strukturen schon vor dem Auftreten der ersten Eukaryoten in Archaeen entstanden sind und beflügelt evolutionäre Theorien, die sich um diesen wichtigen und spektakulären Prozess in der Evolution ranken.

Zukünftige Einblicke durch den neuen Modellorganismus

„Unser neuer Organismus mit dem Namen ‚Lokiarchaeum ossiferum‘ hat sehr grosses Potential, auch zukünftige bahnbrechende Einblicke zu ermöglichen. Ausserdem können wir die Erfahrungen auch für Kultivierungen weiterer Asgard-​Archaea einsetzen,“ kommentiert die Mikrobiologin Christa Schleper. Zudem können die Wissenschaftler*innen nun die neuen, an der ETH entwickelten bildgebenden Methoden nutzen, um zum Beispiel die engen Wechselwirkungen zwischen Asgard-​Archaeen und ihren bakteriellen Symbionten zu untersuchen. Auch grundlegende zellbiologische Prozesse wie die Zellteilung können in Zukunft studiert werden, um den evolutionären Ursprung dieser Mechanismen zu beleuchten.

Dieser Text wurde in ähnlicher Form von der ETH Zürich und der Universität Wien publiziert

Quelle: ETH Zürich

8.1.2023