«Lebendes Fossil» bei Einzellern entdeckt

Berner Forschende sind dem Ursprung des Lebens auf der Spur: In Einzellern entdeckten sie einen Zellbestandteil, der seit Jahrmillionen nahezu unverändert blieb, während sich dieselben Zellbestandteile in anderen Lebewesen weiter entwickelten. Die betreffenden Einzeller sind somit «lebende Fossile» - und werfen ein neues Licht auf die Entstehung von komplexen Zellen.

Die Trypanosomen sind in der Zeit stehengeblieben: diese Einzeller gehören zwar zu den komplexeren Lebensformen mit Zellkern und «Zellorganen», haben aber eines ihrer wichtigsten «Organe», das Mitochondrium, während Jahrmillionen nicht weiterentwickelt. Ihr Mitochondrium – das «Kraftwerk», das die Zelle mit Energie versorgt – funktioniert deshalb anders als heute bekannte, vergleichbare Mitochondrien.

Dies haben Forschende um André Schneider vom Departement für Chemie und Biochemie der Universität Bern herausgefunden. Mitochondrien entstanden vor etwa zwei Milliarden Jahren aus einem Bakterium, das in eine einfache Zelle eindrang und mit der Zeit zu einem Teil derselben wurde. Mitochondrien und Bakterien sind also sehr eng miteinander verwandt. In einem Aspekt unterscheiden sie sich jedoch grundlegend: Während Bakterien Proteine durch ihre Zellmembrane exportieren, müssen Mitochondrien diese von ihrer Wirtszelle importieren. Wie das Protein-Importsystem von Mitochondrien entstanden sein könnte, galt bisher in der Forschung als Rätsel.

Die Gruppe um André Schneider hat nun dessen «Ursprung» entdeckt – in den Mitochondrien der Trypanosomen. Diese nutzen für den Transport von Proteinen sehr ähnliche Komponenten wie Bakterien – nur dass bei den Mitochondrien die Transportrichtung gewechselt hat. Bei den Mitochondrien der Trypanosomen ist also ihre ursprüngliche «Abstammung» von den Bakterien noch erkennbar. Die Forschenden erklären dies damit, dass sich die Trypanosomen in der Evolution sehr früh von anderen Lebewesen abgespalten haben und «lebende Fossile» sind. Die Forschungsergebnisse werden heute im Journal «Current Biology» veröffentlicht.

Fehlendes Bindeglied gefunden

Die Entstehung von Zellorganen wie den Mitochondrien war – neben der Entstehung der ersten Zelle überhaupt – das «wohl wichtigste Ereignis in der Geschichte des Lebens», sagt André Schneider. Die Entstehung der Mitochondrien geht auf ein Bakterium zurück, das von einer einfachen Zelle aufgenommen wurde und die Fähigkeit hatte, sehr effizient Energie zu produzieren. Die Wirtszelle versorgte das Bakterium mit Nährstoffen und konnte so die produzierte Energie für sich nutzen. Im Laufe der Zeit gab das Bakterium seine Eigenständigkeit auf und verwandelte sich so in das Mitochondrium. Dazu waren Proteine nötig. Da das Mitochondrium jedoch durch eine Membrane vom Rest der Zelle abgetrennt war, musste es Importsysteme für Proteine entwickeln.

Der Gruppe um André Schneider gelang es nun, das Protein-Importsystem von Trypanosomen-Mitochondrien zu identifizieren. Dabei stellte sich zur Überraschung der Forschenden heraus, dass dieses völlig anders als in anderen vergleichbaren Lebewesen aussah. Es zeigte nämlich grosse Ähnlichkeiten zu bakteriellen Protein-Exportsystemen, genau wie es eigentlich bei allen Mitochondrien zu erwarten gewesen wäre. «Unsere Daten zeigen, dass das ursprüngliche Mitochondrium wohl tatsächlich dasselbe Transportsystem wie sein Bakterium-Vorläufer hatte, das jedoch später – ausser in den Trypanosomen – durch ein anderes System ersetzt wurde», erklärt Schneider. Damit wäre das neuentdeckte Protein-Importsystem in Trypanosomen das fehlende Bindeglied zwischen dem Protein-Exportsystem von Bakterien und dem Protein-Importsystem der modernen Mitochondrien.

Hoffnung im Kampf gegen die Schlafkrankheit

Trypanosomen sind auch die Erreger der afrikanischen Schafkrankheit. Klinisch sind sie daher von grossem Interesse, da für die Behandlung der Schlafkrankheit dringend neue Medikamente benötigt werden. Das neuentdeckte Protein-Importsystem würde sich laut den Forschenden hervorragend als neue Zielstruktur für eine Chemotheraphie eignen, da die Trypanosomen zum Überleben auf ihr Transportsystem angewiesen sind. Laut Schneider sollte es möglich sein, Substanzen zu finden, die das einfache trypanosomale Transportsystem unterbinden, ohne das moderne Transportsystem der menschlichen Mitochondrien zu beeinflussen.

Quellenangabe: Mascha Pusnik, Oliver Schmidt, Andrew J. Perry, Silke Oeljeklaus, Moritz Niemann, Bettina Warscheid, Trevor Lithgow, Chris Meisinger & André Schneider: Mitochondrial preprotein translocase of trypanosomatids has a bacterial origin, Current Biology, 13. Oktober, doi:10.1016/j.cub.2011.08.060.