Hydra-Epithelzellen (Zellkerne in grün) mit jeweils etwa 20-30 symbiotischen Chlorella-Algen (in orange)
Als sich vor Millionen von Jahren Leben auf der Erde entwickelte, war schnell klar: Zusammen erreicht man mehr. Verschiedene Lebewesen schlossen sich zu engen Lebensgemeinschaften zusammen – oft mit gegenseitigem Nutzen. Wenn alle Partner einen Vorteil aus dem Zusammenleben ziehen, spricht man heute von einer Symbiose. Im Kampf ums Überleben hat sich die Symbiose als sehr erfolgreiche Strategie erwiesen. So erfolgreich, dass mittlerweile die meisten Lebewesen unserer Erde in symbiotischen Systemen leben. Ob Pflanze, Tier oder Mensch, alle werden von kleinen Organismen besiedelt, die sie zum Leben brauchen.
Wie es möglich ist, in symbiotischen Lebensgemeinschaften zusammenzuleben, ist allerdings noch nicht gut erforscht. Warum gehen Lebewesen diese Partnerschaften ein? Was ist ihr eigentlicher Vorteil? Welche molekularen Mechanismen spielen eine Rolle? Und gibt es konservierte Prinzipien, die für die Entstehung und Aufrechterhaltung von Symbiosen wichtig sind?
All diese Fragen beschäftigen Thomas Bosch, Zoologie-Professor an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, schon lange. Zusammen mit seinem Team und einer japanischen Arbeitsgruppe hat er die Symbiose des Süßwasserpolypen Hydra mit Chlorella-Algen, die in seinem Zellinneren leben, untersucht und erstmals genauer charakterisiert. „Wir haben herausgefunden, dass die Algen ihrem Wirt bestimmte Stoffwechselprodukte zur Verfügung stellen, die sie aus der Umwandlung von Sonnenenergie gewinnen. Im Gegenzug beziehen die Algen vom Süßwasser-Polypen Nährstoffe, die sie selber nicht erschließen können“, berichtet Bosch. „Die symbiotische Beziehung der beiden Organismen ist so eng, dass die Algen ohne ihren Wirt nicht mehr lebensfähig sind. Die symbiotischen Algen geben dabei sogar Teile ihrer eigenen Erbinformation auf und nutzen stattdessen die entsprechenden Strukturen des Süßwasserpolypen“, fügt er hinzu.
Diese Erkenntnisse basieren unter anderem auf Next-Generation-Sequencing-Versuchen. Dafür isolierten die Forscher RNA der aktiven Gene aus Nesseltieren mit und ohne symbiotische Algen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass bestimmte für den Stoffwechsel verantwortliche Gene bei Hydra hochreguliert werden und so den Nährstoff-Transport zwischen Wirt und Symbiont begünstigen. In Anwesenheit der symbiotischen Alge stellt Hydra zum Beispiel vermehrt die Aminosäure Glutamin her, die von der Alge dann importiert wird und als wichtiger Stickstoff-Lieferant dient“, so Bosch.
Dazu passend zeigte die genetische Analyse der Algen, dass diese vermehrt Transport-Gene aktivieren, die es erlauben, Aminosäuren wie Glutamin ins Zellinnere zu transportieren. Außerdem fanden die Forscher heraus, dass den symbiotischen Algen die genetische Ausstattung fehlt um Stickstoff zu verwerten – die Nährstoff-Versorgung muss deshalb zum Teil von ihrem Wirt Hydra übernommen werden.
Mit ihren Entdeckungen tragen die Wissenschaftler auch einen Teil zum „Sonderforschungsbereich 1182: Ursprung und Funktion von Metaorganismen“ bei. Ziel des SFB ist es besser zu verstehen, wie vielzellige Organismen von einer mikrobiellen Gemeinschaft profitieren und welche Vorteile für das Immunsystem, den Stoffwechsel und das Verhalten damit einhergehen. „Da ein Ungleichgewicht in dieser Gemeinschaft zur Krankheitsentstehung beitragen kann, sind wir insbesondere an den spezifischen funktionellen Konsequenzen dieser Interaktionen und den zugrundeliegenden regulatorischen Prinzipien interessiert“, erklärt Bosch, der auch Sprecher des SFB ist. „Mit unserer nun vorgelegten Veröffentlichung haben wir eine wichtige Teilfrage beantwortet und am Beispiel der Hydra-Alge Symbiose die treibenden Kräfte hinter der Ausbildung und dauerhaften Stabilität einer Symbiose identifiziert“, berichtet er stolz.
Für die Zukunft plant Bosch die Rolle der in dieser Lebensgemeinschaft ebenfalls vorhandenen Bakterien und Viren zu erforschen. Laut Bosch ergibt sich für Biologen dank der neuen Sequenzier- und Analysemethoden ein ganz neues Bild von Lebensprozessen. „Diese funktionieren offensichtlich ganz eng getaktet mit vielen anderen Organismen in einer komplexen Gemeinschaft von vielen Arten, die über Millionen von Jahren gemeinsam entstanden sind und miteinander eng vernetzt sind“, fügt er abschließend hinzu.
Eva Glink
Hamada M. et al. (2018): Metabolic co-dependence drives the evolutionarily ancient Hydra-Chlorella symbiosis. eLIFE 2018;7:e35122