Uralte Bakterien verwandelten ein DNA-System in ein Zellgerüst

Nun haben Wissenschaftler vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) eine unerwartete Wendung in der Funktionsweise dieser Organismen aufgedeckt. Ein System, das lange Zeit als Trenner der DNA galt, hat stattdessen eine völlig andere Aufgabe übernommen und hilft bei der Bestimmung der Form.

Die in Science veröffentlichte Studie liefert neue Hinweise darauf, wie Proteinsysteme evolvieren und wie multizelluläres Leben in diesen ökologisch wichtigen Bakterien entstanden ist.

„Cyanobakterien sind im Wesentlichen Pioniere der oxygenischen Photosynthese“, sagt Benjamin Springstein, ein Postdoc in der Loose-Gruppe am Institute of Science and Technology Austria (ISTA).

Schutzschichten und Lichtabsorption

„Sie waren verantwortlich für das Große Oxidationsereignis vor etwa 2,5 Milliarden Jahren, als Sauerstoff in der Atmosphäre akkumulierte und aerobe Lebensformen ermöglichte. Ohne sie kann man sagen, dass wir heute nicht existieren würden.“ Auch heute noch sind Cyanobakterien für die Ökosysteme der Erde.

Sie tragen erheblich zur globalen Biomasse bei und spielen Schlüsselrollen im Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf. Diese Organismen sind bemerkenswert anpassungsfähig und gedeihen in extremen Umgebungen, ßen Quellen bis zur Arktis, sowie auf Oberflächen wie Dächern und Wänden in Städten.

Eine gut untersuchte Art, Anabaena sp. PCC 7120 (oder einfach Anabaena), ist seit über 30 Jahren ein Modellorganismus.

Evolution wandelt ein DNA-System in eine

Evolution wandelt ein DNA-System in eine zellformgebende Struktur um Springstein arbeitete in der Gruppe Mitarbeitern des ISTA, des Institut Pasteur de Montevideo (Uruguay), der Kieler Universität (Deutschland) und der Universität Zürich (Schweiz).

Ihre Forschung zeigt, dass Anabaena und wahrscheinlich viele andere multizelluläre Cyanobakterien eine große evolutionäre Veränderung durchgemacht haben. Ein altes System, das einst zur Trennung , wurde in eine zytoskelettartige Struktur umgewandelt, die hilft, die Zellform zu steuern.

DNA in Bakterien: Ein kurzer Überblick Wie alle Bakterien vermehrt sich Anabaena durch Zellteilung. Dieser Prozess erfordert eine genaue Kopie und Verteilung der DNA, damit jede neue Zelle das genetische Material erhält, das sie benötigt.

Die DNA ist eng in Chromosomen

Die DNA ist eng in Chromosomen verpackt, ähnlich wie ein Faden, der um eine Spule gewickelt ist, und ist oft in mehreren Kopien vorhanden, die während der Teilung zuverlässig weitergegeben werden müssen. Bakterielle DNA existiert in zwei Hauptformen.

Chromosomen tragen Gene, die für das Überleben unerlässlich sind, während Plasmide zusätzliche Gene enthalten, die oft nicht erforderlich sind. Plasmide sind hochmobil und können zwischen Bakterien wandern, was die schnelle Verbreitung öglicht und eine schnelle Anpassung ermöglicht.

Ein DNA-Segregationssystem findet eine neue Rolle Springstein forscht seit 2014 an Anabaena und konzentriert sich dabei auf deren evolutionäre und molekulare Merkmale. Während der COVID-19-Pandemie, als die Laborarbeit pausierte, überblickte er wissenschaftliche Literatur und bemerkte etwas Ungewöhnliches.

Ich habe eine zufällige Beobachtung gemacht“,

„Ich habe eine zufällige Beobachtung gemacht“, erinnert er sich. Er fand heraus, dass Anabaena und einige verwandte Cyanobakterien ein System namens ParMR enthalten, das auf ihren Chromosomen kodiert ist.

Dieses System ist typischerweise mit der Plasmidsegregation verbunden und wurde bisher nur auf Plasmiden beobachtet, die als mobile Gen-Speichereinheiten fungieren. Diese ungewöhnliche Platzierung ließ ihn vermuten, dass sich das System möglicherweise an die Trennung.

Nach seinem Beitritt zu ISTA als IST-Bridge Fellow testete Springstein diese Idee experimentell. Die Ergebnisse zeigten eine andere Funktion.

Eine Komponente, ParR, bindet nicht mehr

Eine Komponente, ParR, bindet nicht mehr an DNA. Stattdessen haftet sie an Lipidmembranen, insbesondere an der inneren Zellmembran.

Währenddessen bildet ParM keine Strukturen im Zytoplasma, um DNA zu bewegen. Stattdessen baut es Filamentnetzwerke direkt unter der inneren Membran auf und erzeugt so ein Array , das einem Zellkortex ähnelt.

Anstatt im Inneren der Zelle spindelartige Strukturen zu bilden, wie für die DNA-Segregation zu erwarten wäre, scheint das System sich an der Membran zu organisieren und zur Zellstruktur beizutragen.

Filamentdynamik enthüllt zytoskelettähnliches Verhalten Um dieses

Filamentdynamik enthüllt zytoskelettähnliches Verhalten Um dieses System besser zu verstehen, rekonstruierten die Forscher es außerhalb lebender Zellen mithilfe gereinigter Komponenten. In diesen In-vitro-Rekonstruktionsexperimenten beobachteten sie, dass die Filamente eine dynamische Instabilität zeigen.

Sie wachsen und kollabieren dann schnell, ein Muster, das auch bei Mikrotubuli in komplexeren Zellen zu beobachten ist. Um ihre Struktur detailliert zu untersuchen, arbeitete das Team mit dem ISTA-Professor Florian Schur und seinem Doktoranden Manjunath Javoor zusammen.

Mithilfe der Kryoelektronenmikroskopie, die es Wissenschaftlern ermöglicht, molekulare Strukturen mit sehr hoher Auflösung zu visualisieren, analysierten sie die Architektur der Filamente.

Sie fanden heraus, dass die Filamente

Sie fanden heraus, dass die Filamente in Anabaena, im Gegensatz zu ähnlichen Systemen in anderen Bakterien, die polare Filamente bilden, bipolar sind, was bedeutet, dass sie an beiden Enden wachsen und schrumpfen können. Verlust des Systems verändert die Zellform Die wahre Rolle des Systems wurde offensichtlich, als es aus lebenden Zellen entfernt wurde.

„Zellen, denen das System fehlte, verloren ihre normale rechteckförmige Zellform und wurden stattdessen rund und geschwollen“, erklärt Springstein. Solche Veränderungen werden häufig beobachtet, wenn Gene, die für die Aufrechterhaltung der Zellform verantwortlich sind, bei anderen Bakterien gestört sind.

Dies deutet stark darauf hin, dass die Hauptfunktion des Systems darin besteht, die Zellmorphologie zu steuern, anstatt die DNA-Verteilung zu verwalten. Angesichts seiner neu identifizierten Rolle und seiner Position nahe der Zellmembran benannten die Forscher das System um in „CorMR“.

Schrittweise Evolution einer neuen zellulären Funktion

Schrittweise Evolution einer neuen zellulären Funktion Multizelluläre Cyanobakterien entwickelten sich ähliche Zunahmen der Komplexität. Bioinformatische Analysen durch die Kooperationspartnerin Daniela Megrian vom Institut Pasteur in Montevideo, Uruguay, halfen dabei, zu klären, wie sich das CorMR-System entwickelt hat.

Der Übergang ereignete sich wahrscheinlich in mehreren Stadien und nicht auf einmal. Zuerst verlagerte sich das System.

Als Nächstes veränderten sich seine Komponenten in Größe und Struktur. Dann erwarb es die Fähigkeit, an Zellmembranen zu binden.

Schließlich geriet es unter die Kontrolle

Schließlich geriet es unter die Kontrolle eines zusätzlichen Proteinsystems. Zusammen transformierten diese Schritte ein altes DNA-Segregationssystem in eines, das die Zelle selbst formt, und verdeutlichen, wie die Evolution bestehende biologische Maschinerien wiederverwenden kann, um völlig neue Funktionen zu schaffen.

Referenz: "Repurposing of a DNA segregation machinery into a cytoskeletal system controlling cell shape" , Manjunath G.

Javoor, Daniela Megrian, Roman Hajdu, Dustin M. Hanke, Bettina Zens, Gregor L.

Weiss, Florian K.

Weiss, Florian K. M.

Schur und Martin Loose, 16. April 2026, Science.

DOI: 10.1126/science.aea6343