Die Fortbewegung der Zelle

Archaeen, Bakterien und Eukaryoten sind die so genannten Domänen des Lebens. Von diesen drei stellen Archaeen ein wichtiges Bindeglied in der Evolutionstheorie dar: Sie sind die direkten Vorfahren der Eukaryoten, ähneln aber Bakterien in Aufbau und Organisation. Archaeen sind extrem anpassungsfähig und können zum Beispiel heiße Schwefelquellen oder extrem salzhaltige Seen besiedeln, sind aber auch im Ozean oder im menschlichen Darm und auf der Haut zu finden. Im Gegensatz zu Bakterien sind Archaeen wesentlich weniger erforscht, da bisher noch keine krankheitserregenden Formen beschrieben wurden. Einem Forschungsteam um Prof. Dr. Sonja-Verena Albers von der Professur für Mikrobiologie der Universität Freiburg und Prof. Dr. John Tainer von der Universität Texas in Austin/USA gelang nun, Proteine zu identifizieren, die essentiell für den Aufbau der Motilitätsstruktur, also für die Fähigkeit zur aktiven Bewegung, der Archaeen sind — und damit auch für die Fortbewegung von Zellen. Sein Ergebnis präsentiert das Team in der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins Nature Microbiology.

Für Mikroorganismen ist es wichtig, sich aktiv bewegen zu können, um bei Verschlechterung der Lebensbedingungen nach besseren suchen zu können. Bakterien nutzen dafür das so genannte Flagellum, eine kompliziert aufgebaute Struktur, für deren Aufbau bis zu 50 Proteine benötigt werden, die sich in einem genau festgelegten zeitlichen Ablauf zusammenbauen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nahmen an, dass Archaeen dieselbe Struktur wie Bakterien zu einer schwimmenden Fortbewegung benutzen. Aber nachdem sie die ersten archaealen Genome sequenzieren konnten, fanden sie heraus, dass Archaeen keine solchen Flagellenoperone besitzen. Stattdessen benutzen Archaeen, um zu schwimmen, eine Struktur, die Archaellum genannt wird. Diese besteht im von Albers verwendeten Modellorganismus Sulfolobus acidocaldarius, den Archaeen, die in extrem sauren, hydrothermalen Quellen leben, aus nur sieben Untereinheiten. „Dennoch kann diese relativ einfache Struktur dieselben Leistungen erbringen wie das bakterielle Flagellum“, erklärt die Biologin.

Sie konnte mit ihrem Team bereits die Struktur des dafür notwendigen Proteins FlaI aufdecken und zeigen, dass es mit den Proteinen FlaX und FlaH den Motorkomplex des Archaellums formt. Zudem beschrieben die Freiburger Wissenschaftler das Protein FlaF, das sich an das einzige Zellwandprotein des Modellorganismus bindet und es dort fest verankert. „Darüber können die Archaeen mit der Umwelt, und damit auch mit menschlichen Zellen, interagieren“, erklärt Albers. In der aktuellen veröffentlichten Studie zeigen die Forschenden, dass das Protein FlaG in der Lage ist, ein Filament, vergleichbar mit einer Faser, zu bilden. Zusammen mit FlaF bildet FlaG dann einen Proteinkomplex, der essentiell für den Aufbau des Archaellums ist. Vermutlich sitzt dieser Komplex an der Spitze des FlaG-Filaments, was FlaG und FlaF ermöglicht, mit der Zellwand zu interagieren.

Zudem konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass Zellen ohne Zellwand zwar ein Archaellum bilden, aber nicht schwimmen können. Das deute wiederum darauf hin, sagt Albers, dass die Interaktion zwischen FlaG und FlaF und der Zellwand zur Funktion des Archaellums beiträgt: „Uns ist es gelungen, zu zeigen, dass FlaG und FlaF essentiell für die Rotation des Archaellums und dadurch für die Fortbewegung der Zelle sind.“

Das Projekt wurde von einem FET-OPEN-Projekt der MARA-Projekte der Europäischen Union unterstützt.

Originalpublikation:
Tsai, C.-L., Tripp, P., Sivabalasarma, S., Zhang, C., Rodriguez-Franco, M., Wipfler, R.L., Chaudhury, P., Banerjee, A., Beeby, M., Whitaker, R.J., Tainer, J.A., Albers, S.-V.  (2019): The structure of the periplasmic FlaG–FlaF complex and its essential role for archaellar swimming motility. In: Nature Microbiology. DOI: 10.1038/s41564-019-0622-3