Gelbes Pigment hält soziale Amöben zusammen

Naturstoff steuert Vielzelligkeit

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Kugelige Strukturen von gelblicher Farbe an langen, dünnen Stielen
Mikroskopische Aufnahme der Fruchtkörper von D. discoideum auf einer Agarplatte. An der Spitze des multizellulären Organismus, wo sich auch die ruhenden Sporen befinden, ist das gelbe Pigment sichtbar. Quelle: Rosa Herbst/Leibniz-HKI

Das mehrzellige Stadium der Amöbe Dicyostelium discoideum wird offenbar maßgeblich durch einen intensiv gelben Naturstoff gesteuert, wie Forschende des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie – Hans-Knöll-Institut (Leibniz-HKI) herausgefunden haben. Der neu entdeckte Naturstoff aus der Familie der Polyketide verhindert, dass die Amöben zu früh aus den Sporen schlüpfen. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht.

Soziale Amöben sind einzellige Lebewesen, die sich bei Nahrungsmangel zu einem mit bloßem Auge sichtbaren, mehrzelligen Organismus zusammenschließen können. In einem komplexen Prozess bilden sie einen Fruchtkörper, der mit Sporen gefüllt ist, welche durch Wind oder durch Tiere weitergetragen werden.

„Diesen Fruchtkörper kann man sich vorstellen wie einen Wasserballon“, erklärt Rosa Herbst aus der Abteilung Paläobiotechnologie am Leibniz-HKI, eine der Erstautor*innen der Studie. „Er kann leicht platzen und die Sporen werden freigelassen.“

In der aktuellen Studie konnten die Forschenden einen Naturstoff – ein Polyketid – identifizieren, der ein zu frühes Schlüpfen der Amöben aus den Sporen im Fruchtkörper verhindert und so maßgeblich den vielzelligen Entwicklungszyklus aufrechterhält. Das Molekül hat eine intensiv gelbe Farbe und wird hauptsächlich in der Umgebung der Sporen im Fruchtkörper gebildet.

„Amöben stellen eine Vielzahl an Naturstoffen her, die zum Beispiel für die Entwicklung neuer Medikamente interessant sein könnten“, erklärt Pierre Stallforth, Leiter der Abteilung Paläobiotechnologie und Professor an der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Er hat zusammen mit Falk Hillmann, Leiter der Forschungsgruppe Evolution mikrobieller Interaktionen am Leibniz-HKI und inzwischen Professor an der Hochschule Wismar, die Studie geleitet. In den meisten Fällen sei jedoch nicht bekannt, was die eigentliche biologische Funktion dieser Substanzen ist. Die Amöbe D. discoideum hat 40 Polyketid-Biosynthesegene, die für Enzyme kodieren, welche die Polyketide herstellen.

Amöben sammeln sich, um gemeinsam einen Fruchtkörper zu bilden. Sogenannte Stützzellen produzieren das gelbe Pigment (hier rot fluoreszierend) und sterben nach dem Ende der multizellulären Phase. Quelle: Markus Günther/Leibniz-HKI

„Die Polyketidsynthase 5, die wir untersucht haben, ist erst die dritte, bei der man eine Vorstellung über die Funktion und Struktur des entsprechenden Polyketids hat“, stellt Christin Reimer, ebenfalls Erstautorin, heraus. Und das, obwohl D. discoideum ein intensiv erforschter Modellorganismus ist, der im Boden weit verbreitet ist.

Das Team, an dem mehrere Forschungsgruppen des Leibniz-HKI beteiligt waren, kombinierte für die Studie Daten aus Transkriptom- und Metabolomanalysen. Zunächst untersuchten die Forschenden also, welche Enzyme während der Bildung des Fruchtkörpers produziert werden und wählten das vielversprechendste für weitere Untersuchungen aus. Das zugehörige Gen schalteten sie mithilfe der Genschere CRISPR-Cas9 aus. Durch den Vergleich mit den Stoffwechselprodukten der unveränderten Amöben konnten sie so das Polyketid Dictyoden, ein gelbes Pigment, identifizieren.

Schematische Darstellung des Entwicklungszyklus von D. discoideum. Als einzellige Organismen ernähren sich die Amöben von Bakterien. Sobald diese Nahrungsquelle allerdings erschöpft ist, beginnen die Zellen zusammenzuströmen, um einem multizellulären Organismus zu bilden. Etwa 24 Stunden danach hat sich ein Fruchtkörper gebildet, der an seiner Spitze einen „gelben Ballon“ aus Sporen trägt. Werden die Sporen – zum Beispiel von einem Insekt – an einen neuen Ort mit einem reichhaltigeren Nahrungsangebot getragen, schlüpfen sie und der Zyklus beginnt erneut. Quelle: Markus Günther/Leibniz-HKI

„Wir hatten zunächst keine Ahnung, was dieses Polyketid macht“, so der dritte Erstautor Markus Günther. Das Team stellte allerdings fest, dass bei den Amöben ohne Polyketidsynthase 5 die Fruchtkörper häufig zu früh geschlüpfte Amöben beinhalteten. In weiteren Experimenten, in denen sie Dictyoden wieder hinzufügten, konnten sie dieses frühzeitige Schlüpfen zu 50 Prozent wieder rückgängig machen. „Es spielen also offenbar auch noch andere Substanzen eine Rolle, aber wir gehen davon aus, dass Dictyoden besonders wichtig ist, um frühzeitiges Schlüpfen zu unterdrücken.“

„Wir haben mit dieser Studie einen zuverlässigen Ansatz entwickelt, um Polyketide in ihrem physiologischen und ökologischen Kontext zu untersuchen“, so Pierre Stallforth. In weiteren Schritten will das Team auch weitere Polyketidsynthasen der Amöbe erforschen und so mehr über den komplexen Übergang von Ein- zu Vielzelligkeit herausfinden.

Die Forschungsarbeiten der Abteilung Paläobiotechnologie werden durch die Leibniz-Gemeinschaft und die Werner Siemens-Stiftung unterstützt. Die Studie wurde zudem durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft unter anderem im Rahmen des Exzellenzclusters Balance of the Microverse und des Sonderforschungsbereichs ChemBioSys, durch den Europäischen Sozialfonds, den Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung und das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Originalpublikation

Günther M, Reimer C, Herbst R, Kufs JE, Rautschek J, Ueberschaar N, Zhang S, Peschel G, Reimer L, Regestein L, Valiante V, Hillmann F, Stallforth P (2022). Yellow polyketide pigment suppresses premature hatching in social amoeba. PNAS, doi: 10.1073/pnas.2116122119

Mitarbeiter*innen

Markus Günther
Rosa Herbst
Falk Hillmann
Johann Kufs
Gundela Peschel
Julia Rautschek
Lars Regestein
Christin Reimer
Lisa Reimer
Pierre Stallforth
Nico Ueberschaar
Vito Valiante
Shuaibing Zhang

Pressekontakt

Ronja Münch

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