Atemberaubende Schönheiten: Kieselalgen
04. Oktober 2004 Schwer zu überschauen ist inzwischen die Zahl der Organismen, deren genetische Information wie ein aufgeschlagenes Buch vor uns liegt. Verschiedene Tiere, Pflanzen, Mikroben, der Mensch - die Liste wird länger und länger. Wenn daher wieder einmal das Genom einer Bakterienart oder eines anderen Einzellers entziffert ist, erregt das meist kein besonderes Aufsehen mehr. Doch gerade im Reich der Mikroorganismen, die sich häufig durch erstaunliche Anpassungsfähigkeit und verblüffende Stoffwechselleistungen auszeichnen, führt der Blick auf die Gene oft zu überraschenden Erkenntnissen.
Das zeigt sich jetzt wieder auf eindrucksvolle Weise am Genom einer Kieselalge, das eine aus 45 Forschern bestehende internationale Arbeitsgruppe um Daniel Rokhsar vom Genom-Institut des amerikanischen Energieministeriums in Walnut Creek (Kalifornien) und Virginia Armbrust von der Washington-Universität entziffert hat ("Science", Bd. 306, S. 79). Von deutscher Seite haben Nils Kröger von der Universität Regensburg und Klaus Valentin vom Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven mitgewirkt. Aufgrund der Genomanalyse erscheinen Kieselalgen nun mehr denn je als biologische Sonderlinge, die Merkmale von Pflanzen und Tieren vereinen.
Atemberaubende Schönheiten
Kieselalgen, wissenschaftlich als Diatomeen bezeichnet, kommen weltweit in Salz- und Süßwasser vor. Man findet sie sogar auf Böden, Steinen und Bäumen, wenn dort ausreichend Flüssigkeit vorhanden ist. Charakteristisch für die mikroskopisch kleinen Einzeller ist ein schützendes Gehäuse aus Kieselsäure, aufgebaut wie eine Schachtel mit Deckel.
Besonders im Raster-Elektronenmikroskop entpuppen sich die Organismen oft als atemberaubende Schönheiten. Im Verlauf der Erdgeschichte - Kieselalgen gab es nachweislich schon vor 180 Millionen Jahren - haben sich ungeheuere Mengen dieser Gehäuseschalen in den Gewässern als Diatomit abgelagert. In Form von Kieselgur dienen die Überreste unter anderem als Filter zur Abwasserbehandlung.
Kleine Kohlenstoffabriken
Was den Kohlenstoffkreislauf auf der Erde anbelangt, sind Kieselalgen wahre "Global Player". Ihr Einfluß ist kaum zu überschätzen. Wissenschaftler haben berechnet, daß allein die im Meer lebenden Arten durch Photosynthese jährlich 19 Milliarden Tonnen organischen Kohlenstoffs bilden. Das sind rund 40 Prozent der gesamten in den Weltmeeren entstehenden Menge. Im globalen Kohlenstoffkreislauf spielen sie eine ebenso große Rolle wie alle Regenwälder der Erde zusammen.
Bemerkenswert ist auch ihre Fähigkeit, sich unter geeigneten Bedingungen plötzlich massenhaft zu vermehren. Diese sogenannten Algenblüten können erhebliche Konsequenzen für die marine Nahrungskette haben, zumal dann, wenn die Diatomeen Giftstoffe bilden. Die Erforschung der Kieselalgen ist demnach alles andere als ein "Orchideenfach" von rein akademischer Bedeutung.
Interessante Verwandte
Als Stellvertreter für die schätzungsweise 12.000 Arten von Diatomeen wurde Thalassiosira pseudonana ausgewählt. Diese im Salzwasser verbreitete Art wird schon lange in biologischen Laboratorien gehalten. Bei der Genomanalyse stellte sich zunächst einmal heraus, daß die Kieselalge über einen doppelten Chromosomensatz mit 24 Chromosomenpaaren verfügt. Bei herkömmlichen zytologischen Untersuchungen ist das nicht feststellbar gewesen. Im Zellkern ließen sich 11.242 eiweißbildende Gene aufspüren. Dazu kommen 144 Gene in den als Plastiden bezeichneten Zellorganen und 40 Gene in den auf den Energiestoffwechsel spezialisierten Mitochondrien.
Die genauere Analyse der Gene und der von ihnen gebildeten Proteine förderte aufschlußreiche verwandtschaftliche Beziehungen zutage. Kieselalgen haben eine bewegte Familiengeschichte, die Biologen mit dem Begriff "sekundäre Endosymbiose" umreißen. Alle höheren Pflanzen und die meisten Algen sind - so nimmt man an - dadurch entstanden, daß sie sich zur Photosynthese befähigte Mikroorganismen - wahrscheinlich Cyanobakterien - einverleibt und diese als Symbiosepartner gewonnen haben. Die Photosynthese betreibenden Organellen in den Zellen, die Chloroplasten, zeugen noch von dieser primären Endosymbiose.
Die Vorläufer der Kieselalgen und etlicher anderer Arten des pflanzlichen Meeresplanktons indessen haben sich offenbar komplette Zellen, die ihrerseits schon einen bakteriellen Partner enthielten, angeeignet. Wahrscheinlich handelte es sich dabei um Rotalgen. Beim Vergleich der Kieselalgen-Proteine mit denen einer Blütenpflanze, einer Rotalge und eines Säugetiers - der Maus - ergaben sich tatsächlich starke Anhaltspunkte für eine ungewöhnliche Stammesgeschichte. Rund 180 Proteine kommen sonst nur bei Rotalgen vor und 865 nur bei höheren Pflanzen. Weitere 806 Proteine sind ausschließlich mit denen der Maus verwandt - ein Erbe des gemeinsamen Vorfahren.
Der vielfältigen genetischen Ausstattung entsprechend, verfügt die Kieselalge über beeindruckende Stoffwechselleistungen. Zum Beispiel bildet sie große Mengen ungesättigter Fettsäuren und verwertet die Vorräte auf ganz verschiedene Weise in den als Mitochondrien und Peroxisomen bezeichneten zellulären Fabriken. Überrascht stellten die Forscher fest, daß in der Kieselalge ein Harnstoffzyklus abläuft, wie man ihn sonst von der Leber her kennt. Welche Rolle er bei den Kieselalgen spielt, ist unklar. Ornithin, eines der entstehenden Zwischenprodukte, wird jedenfalls zur Bildung von Spermin und Spermidin genutzt. Diese in der belebten Natur weitverbreiteten Substanzen helfen den Kieselalgen beim Aufbau der Schalen.
Thalassiosira besitzt nach Angaben von Nils Kröger vier- bis fünfmal so viele Enzym-Gene zur Synthese von Spermin und Spermidin wie alle bisher untersuchten Organismen. Die Regensburger Biochemiker, die sich mit der komplizierten Biomineralisation der Diatomeenschalen beschäftigen, hoffen jetzt, daß die Erkenntnisse aus der Genomanalyse zur Herstellung neuartiger Werkstoffe genutzt werden können. Durch gentechnische Eingriffe in den natürlichen Syntheseweg, so ihre Überlegung, sollten sich maßgeschneiderte Silikatstrukturen etwa für Lichtleiter und photonische Kristalle gewinnen lassen. Zu der großen ökologischen Bedeutung der Kieselalgen würde sich dann noch eine ökonomische gesellen.
Text: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 04.10.2004, Nr. 231 / Seite 32
Bildmaterial: tea
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