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Gen für das Gefühlsleben von Pflanzen entdeckt

Pflanzen zu drücken oder zu streicheln ist eine jahrhundertealte Methode im japanischen Landbau. Die mechanische Stressbehandlung erhöht die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen und steigert damit auch den Ertrag, führt aber auch zu gedrungenem Wachstum und verzögertem Blühen. Verantwortlich dafür ist ein Gen, das nun von Dr. Maria Pimenta Lange und Prof. Theo Lange vom Institut für Pflanzenbiologie der Technischen Universität Braunschweig entdeckt wurde.

Die positive Auswirkung mechanischer Stressbehandlung von Pflanzen wurde erst vor wenigen Jahren in den westlichen Industrienationen bekannt. Bis dahin ging die Forschung davon aus, dass sich die sogenannte Thigmomorphogenese vor allem durch gedrungenes Wachstum und verzögertes Blühen auf Pflanzen auswirke, erläutert Prof. Theo Lange. Forschungsergebnisse aus den USA und der Schweiz wiesen in den vergangenen Jahren auch auf nützliche Effekte hin, wie etwa eine bessere Schädlingsabwehr, jedoch ohne den Wirkmechanismus aufzuklären, so der Braunschweiger Pflanzenbiologe.

Gemeinsam mit Dr. Maria Pimenta Lange ist es dem Leiter der Abteilung Biochemie und Physiologie der Pflanzen am Institut für Pflanzenbiologie der TU Braunschweig nun gelungen, das Gen zu identifizieren, das für die Berührungsreaktion von Pflanzen verantwortlich ist. Das Gen „AtGA2ox7“ kodiert ein Protein, das für den Abbau eines bestimmten Pflanzenhormons, den Gibberellinen, zuständig ist. Ohne dieses Gen, so die aktuellen Forschungsergebnisse der Braunschweiger Pflanzenbiologen, reagiere die Pflanze auf den Berührungsreiz nicht mehr mit morphologischen Veränderungen und wachse wie eine unbeeinflusste Vergleichspflanze.

In den kommenden Monaten setzt das Braunschweiger Forscherteam seine Arbeit fort und untersucht, inwieweit in genveränderten Pflanzen nach einer Berührung gewünschte Eigenschaften, wie gesteigerte Stressresistenz, erhalten geblieben sind. Auch soll untersucht werden, wie das identifizierte Gen als Marker beispielsweise in Züchtungsprogrammen eingesetzt werden kann. „Langfristig bietet unsere Grundlagenforschung die Möglichkeit, die jahrhundertealte japanische Methode als Anwendung im ökologischen Landbau weiterzuentwickeln und nachteilige Auswirkungen mit Mitteln der Biotechnologie zu lindern“, erklärt Prof. Lange. (Quelle: idw)

Zur Publikation
Maria João Pimenta Lange, Theo Lange: Touch-induced changes in Arabidopsis morphology dependent on gibberellin breakdown. Nature Plants, doi: 10.1038/nplants.2014.25 (2015).

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Biotechnologie: Bakterien sollen Bio-Nylon produzieren

Schätzungen zur Folge sollen die Erdölvorkommen Mitte des Jahrhunderts zur Neige gehen. Für Erdöl, das nicht nur als Ausgangssubstanz für Benzin oder Heizöl dient, sondern etwa auch für Farben, Kosmetik und Kunststoff, müsste spätestens dann eine Alternative her. Weltweit sind Forscher daher bemüht, neue und nachhaltige Wege für die industrielle Produktion zu erschließen. Auch an der Universität des Saarlandes beschäftigen sich Professor Christoph Wittmann und seine Arbeitsgruppe damit, etwa Chemikalien und Wirkstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe herzustellen.

In einem neuartigen Ansatz arbeiten die Saarbrücker Forscher nun daran, Nylon mittels biotechnologischer Methoden zu produzieren. Nylon ist einer der weltweit wichtigsten Kunststoffe – er kommt nicht nur in Strumpfhosen, sondern auch in vielen Verbundwerkstoffen vor, die zum Beispiel beim Autobau verwendet werden. Bei seinem Verfahren setzt das Team um Wittmann auf die zentrale Vorstufe des Kunststoffs – die Adipinsäure. „Adipinsäure hat in den vergangenen Jahrzehnten vor allem als Baustein für Nylon-Kunststoffe, aber auch für Lebensmittelzusätze, Pharmazeutika, Dünger und Pflanzenschutzmittel einen Weltmarkt von jährlich mehreren Milliarden Euro pro Jahr erreicht“, sagt Professor Christoph Wittmann. Bislang sei die Säure aber nur unter hohem Energieverbrauch aus Erdöl zu gewinnen. Wittmann und sein Team wollen die Substanz künftig aus Abfallstoffen gewinnen. „In der Holz- und Papierindustrie sowie bei der Herstellung von Biotreibstoffen fällt viel Lignin an“, erläutert Wittmann. „Mangels Alternativen wird dies bislang meist nur verbrannt.“

Die Forscher möchten bei ihrem Vorhaben Stoffwechselwege von Bakterien ausnutzen, die verarbeitetes Lignin zu einer Vorstufe der Adipinsäure zusammensetzen können. „In einer chemischen Nachbehandlung, einer sogenannten Hydrierung, wollen wir diese Vorstufe direkt in Adipinsäure umwandeln und daraus dann den hochwertigen Kunststoff zusammenbauen – vollständig biobasiert aus Abfallstoffen“, so Wittmann weiter.

Zudem möchten die Saarbrücker Wissenschaftler ihren innovativen Prozess in den kommenden Jahren derart optimieren, dass die Technologie in der Industrie zum Einsatz kommen kann. „Wir werden daran arbeiten, dass die Bakterien als maßgeschneiderte Zellfabriken den natürlichen Kunststoff mit hoher Ausbeute und Reinheit fertigen“, erläutert der Professor. „Erste Analysen haben bereits gezeigt, dass das Verfahren sowohl sehr umweltschonend als auch wirtschaftlich rentabel sein kann. Es gibt bereits Nachfragen aus der Industrie nach Bio-Nylon.“ Das Bundesministerium für Bildung und Forschung stellt für das Vorhaben in den nächsten drei Jahren insgesamt 1,4 Millionen Euro bereit.

Was ist das Wesen von Raum und Zeit?

Grundfragen der Naturwissenschaft:

Was ist Realität? Warum läuft Zeit immer nur in eine Richtung? Was bedeutet Kausalität, also die eindeutige Zuordnung von Ursache und Wirkung? Antworten auf diese Fragen der modernen Naturphilosophie liefert die Quantenphysik. Aber auch in der Biologie spielt beispielsweise die Frage nach der Kausalität eine grundlegende Rolle.

Allerdings wirft die Frage nach der Kausalität in der Genetik Fragen auf, die sich nur philosophisch beantworten lassen. So fand das Problem, das die Rolle der Gene im Organismus betrifft, erst kürzlich eine befriedigende Lösung. Gene gelten als Informationsträger, die den Aufbau der Proteine in einem Organismus bestimmen. Zur Herstellung von Eiweißstoffen bedarf es jedoch einer äußerst komplexen biochemischen Maschinerie, zu der auch so genannte Ribosome sowie Hunderte von Enzymen gehören.

Deshalb schreibt die Entwicklungssystemtheorie allen Bestandteilen einer lebenden Zelle die gleiche kausale Rolle zu. Diese Ansicht lässt sich rein empirisch (also nur durch Experimente) nicht widerlegen, sondern nur durch philosophische Überlegungen. Die Lösung des Problems gelang durch Unterscheidung zwischen aktuellen und potenziellen Einflussgrößen: Die einen variieren tatsächlich, die anderen könnten es zwar, tun es aber nicht. Zusätzlich ist es nötig, den Begriff der so genannten kausalen Spezifität einzuführen. Sie ist erfüllt, wenn jede Ursache eine eindeutige Wirkung hat und jede Wirkung nicht zu viele verschiedene Ursachen. Mit diesen beiden Begriffen lässt sich die besondere kausale Rolle der Gene bei der Proteinsynthese begründen.

Ein Beispiel betrifft die Ontogenese: die Entwicklung vom Embryo zum ausgewachsenen Organismus. Als Hauptkontrollgene dafür gelten so genannte Homöobox-Gene, die Forscher zuerst bei der Taufliege und später bei vielen anderen Organismen einschließlich des Menschen identifiziert haben. Dabei sind an der Embryonalentwicklung eines Tiers Tausende verschiedener Faktoren beteiligt. Sie beginnt in einer befruchteten Eizelle, die nicht bloß aus Genen besteht, sondern ein chemisch äußerst komplexes Gemisch von diversen Nukleinsäuren, Proteinen, kleineren Molekülen und Fetten ist. Der Einwand “Aber die Gene steuern die Entwicklung” ist aus streng kausaltheoretischer Sicht nicht zulässig; denn “steuern” setzt einen Steuermann voraus – ein absichtlich handelndes Wesen, das es offensichtlich nicht gibt.

Noch tiefer reichen die Fragen in der Physik. Naturphilosophie versucht da nicht weniger als die Grundlagen der Natur zu klären – etwa, was Objekte, Raum und Zeit, Kausalität, Zeitrichtung und Naturgesetze sind. Die Quantenphysik erfordert es, die klassische atomistische Sicht der Natur durch eine holistische Perspektive zu ersetzen. Wie der Übergang von quantenmechanischen Phänomenen zu klassischen Eigenschaften genau abläuft, ist dabei eine offene Frage. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Juni 2011)

Buchtipp:
Supervereinigung: Wie aus nichts alles entsteht. Ansatz einer großen einheitlichen Feldtheorie

Entwickelt sich das Gehirn durch Selbstorganisation?

Selbstorganisierte Prozesse spielen neben Umwelteinflüssen und genetischen Faktoren eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung des Gehirns. Zu diesem Ergebnis kommt ein internationales Team von Forschern, unter anderem aus Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation, des Bernstein Center for Computational Neuroscience und der Universität Göttingen.

Die Gehirne von Frettchen, Spitzhörnchen und Buschbabys zeigen beispielsweise überraschende Ähnlichkeit: So folgt die Anordnung der Nervenzellen in den Sehrinden der Arten folgt exakt demselben Design. Weder frühe Einflüsse der Umwelt noch Vererbung können diesen Befund erklären. Mithilfe eines mathematischen Modells jedoch konnten die Wissenschaftler die Gehirnarchitektur exakt vorhersagen. Es beschreibt, wie sich neuronale Schaltkreise im Gehirn selbstorganisiert entwickeln. (Science, Online-Ausgabe vom 4. November 2010)

Abb. 1 Die Vorfahren von Spitzhörnchen (rechts) und Buschbaby (links) gehen seit 65 Millionen Jahren getrennte Wege. Dennoch gleichen sich Details ihrer Sehrinden auf verblüffende Weise. Bild: Wikimedia

Nervenzellen in der Sehrinde reagieren auf definierte Bildelemente wie Kanten und Konturen. Jede Zelle hat dabei eine “Orientierungspräferenz”: Sie ist auf bestimmte Kantenverläufe spezialisiert, wie etwa horizontale, vertikale oder schräge Kanten. Werden Zellen gleicher Spezialisierung mit derselben Farbe eingefärbt, erhält man so eine Karte der Orientierungspräferenz. Das fundamentale Strukturelement dieser Karten, das sich über die Sehrinde tausendfach wiederholt, bezeichnen Forscher als Pinwheel (deutsch: Windrad), denn Gebiete derselben Orientierungspräferenz treffen an einem Punkt zusammen – wie die Flügel eines Spielzeug-Windrades (siehe Abbildung 2).

Während frühere Arbeiten erwartet ließen, dass sich die Verteilung der Windräder in den Sehrinden verschiedener Arten stark unterscheiden, fanden die Forscher eine verblüffende Ähnlichkeit bei Frettchen, Spitzhörnchen und Buschbaby. Ein Erkennungszeichen dieses gleichen Designs ist die Dichte der Windrädchen. Diese und eine große Zahl anderer Merkmale stimmen bei diesen Arten genau überein. Auf einen vererbten genetischen Bauplan lässt sich dies jedoch nicht zurückführen. Denn der letzte gemeinsame Vorfahre von Frettchen, Spitzhörnchen und Buschbaby lebte vor mehr als 65 Millionen Jahren im Zeitalter der Dinosaurier. Die Gehirne hatten also reichlich Zeit, sich verschieden zu entwickeln. Zudem gibt es Säugetiere, die deutlich enger miteinander verwandt sind als die untersuchten Spezies und dennoch verschieden strukturierte Sehrinden aufweisen. Ebenso wenig bietet der Einfluss von Erfahrung auf die frühe Hirnentwicklung eine Erklärung. Die untersuchten Tierarten finden nach ihrer Geburt völlig verschiedene Umweltbedingungen vor.

Abb. 2 Karte der Orientierungspräferenz in der Sehrinde eines Frettchens. Zwei Pinwheels (Windrädchen) sind vergrößert. Falschfarbendarstellung der Orientierung (siehe Balken links). Bild: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

In empirischen und theoretischen Untersuchungen zeigten die Forscher, dass sich die gleiche Windräderdichte am besten durch Selbstorganisationsprozesse in der Hirnentwicklung erklären lässt. Sobald die Tiere nach der Geburt zu sehen beginnen, bilden sich die Karten der Orientierungspräferenz nach und nach wie von selbst aus. Die mathematische Analyse neuronaler Selbstorganisation zeigte, dass bereits wenige Voraussetzungen ausreichen, um die beobachtete Nervenzellarchitektur hervorzubringen. Zu diesen gehört etwa, dass sich Nervenzellen über weite Distanzen direkt Signale zusenden können. Sind diese und wenige weitere Voraussetzungen erfüllt, stimmen sich die Nervenzellen im Modell während der Hirnentwicklung so aufeinander ab, dass ein so genanntes “quasiperiodisches Muster” ihrer bevorzugten Orientierungen entsteht, ein Muster das sich nie exakt wiederholt.

“Vertraute Beispiele für Selbstorganisationsprozesse sind etwa die La-Ola-Welle begeisterter Zuschauer, die sich bei Sportveranstaltungen über die Stadionränge ausbreitet, oder Stop-and-Go-Wellen im Autoverkehr, die ohne jede äußere Behinderung des Verkehrsflusses spontan auftreten können”, sagt Matthias Kaschube, Lewis-Sigler-Fellow an der Princeton Universität und Erstautor der Studie. Bei diesen Beispielen, wie auch bei allen anderen Selbstorganisationsprozessen, gibt es weder einen versteckten “Lenker”, noch ein verstecktes “Drehbuch”, das die Systemelemente (die Sportfans oder die Verkehrsteilnehmer in obigen Beispielen) dazu zwingt zu tun, was sie tun. Die Bewegung der Elemente resultiert nur aus der Art, wie sie sich gegenseitig beeinflussen.

In den vergangenen Jahrzehnten haben Forscher für viele Systeme der unbelebten Natur ausgearbeitet, wie mathematische Modelle beim Verständnis solcher Selbstorganisationsprozesse helfen können. Wie Fred Wolf, Leiter der Untersuchung und theoretischer Physiker am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen betont, liefern die neuen Ergebnisse nun maßgeschneiderte mathematische Konzepte für das Verständnis der Wechselwirkungen neuronaler Elemente in der Sehrinde.

Quelle: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Originalveröffentlichung: Matthias Kaschube, Michael Schnabel, Siegrid Löwel, David M. Coppola, Leonard E. White & Fred Wolf
Universality in the Evolution of Orientation Columns in the Visual Cortex

Science, Online-Ausgabe vom 4. November 2010

Mehr Info:
Emergenz: Strukturen der Selbstorganisation in Natur und Technik

Massensterben durch Abkühlung der Erde

Künstlerische Darstellung des Chicxulub-Einschlages (Das Bild in printfähiger Auflösung finden Sie im Presseportal der Universität Wien unter www.univie.ac.at/175) Ölbild: D. Jalufka
Künstlerische Darstellung des Chicxulub-Einschlages
Ölbild: D. Jalufka

Am Übergang von der Kreidezeit zum Tertiär vor 65 Millionen Jahren vollzog sich eines der größten Massenaussterben der Erdgeschichte, das auch das Zeitalter der Dinosaurier beendete. Als Ursache gilt ein großer Meteoriteneinschlag in Mexiko, der Chicxulub-Impakt, der in der Wissenschaft sehr kontroversiell diskutiert wurde. Eine internationale Gruppe von WissenschafterInnen, darunter Christian Koeberl von der Universität Wien, veröffentlicht nun im renommierten Fachmagazin “Science” neue Forschungsergebnisse. Diese zeigen, dass das Aussterben der Dinosaurier genau mit dem Chicxulub-Impakt begann.

Lange Zeit war die Ursache für das Aussterben von mehr als zwei Drittel aller Arten – darunter allen Dinosauriern – am Ende der Kreidezeit eine der wichtigsten offenen Fragen in den Geowissenschaften. Seit 30 Jahren gibt es stichaltige Belege für einen Meteoriteneinschlag als Ursache, seit 20 Jahren ist auch der zugehörigen Krater bekannt: Der 200 km große Chicxulub-Krater in Mexiko.

Trotzdem wurde die Impakttheorie von Anfang an auch angezweifelt und alternative Ursachen wie z.B. Vulkanismus für das Aussterben diskutiert. Der größte Widerspruch kam vor einigen Jahren aus Princeton: Anhand von Untersuchungen im und um den Chicxulub-Krater postulierten die WissenschafterInnen, dass der Impakt 300.000 Jahre zu früh aufgetreten wäre, um für das Artensterben verantwortlich zu sein.

Millionenfach größere Energie als Atombombe

Um diese Zweifel auszuräumen, hat nun ein Team aus mehr als 40 WissenschafterInnen aus Europa, den USA, Mexiko, Kanada, und Japan unter Leitung des Geologen Peter Schulte von der Universität Erlangen-Nürnberg die neuesten Daten analysiert und relevante Studien ausgewertet. Von der Universität Wien sind Christian Koeberl, Professor für Impaktforschung und Planetare Geologie und Leiter des Departments für Lithosphärenforschung (sowie designierter Generaldirektor des Naturhistorischen Museums in Wien) und seine Mitarbeiterin Tamara Goldin (FWF-Postdoc) an der Studie beteiligt. In einer Veröffentlichung im Wissenschaftsmagazin “Science” legen sie dar, dass nur der Chicxulub-Impakt das Massensterben vollständig erklären kann.

Die Studie widerlegt die von Princeton postulierte zeitliche Lücke von 300.000 Jahren. Modelle des Chicxulub-Impakts zeigen, dass die bei diesem Ereignis freigesetzte Energie jene der größten jemals getesteten Atombombe millionenfach übertrifft. Ein Einschlag dieser Größe löste gewaltige Erdbeben aus, die riesige Rutschungen und Tsunamis im heutigen Golf von Mexiko zur Folge hatten und dort zu chaotischen Gesteinsabfolgen führten. “Somit sind die Gesteinsschichten direkt im Bereich von Chicxulub sicherlich am wenigsten geeignet, um die genaue Reihenfolge der Ereignisse vor 65 Millionen Jahren aufzuklären”, so Christian Koeberl.

Abkühlung und Dunkelheit führten zum Massensterben

Der Chicxulub-Impakt hatte damit globale ökologische Konsequenzen. Mehrjährige Abkühlung und Dunkelheit führten zum selektiven Artensterben. Das Massenaussterben am Ende der Kreidezeit beeinträchtigte Land und Meer gleichermaßen, war aber besonders für Organismen mit einem hohem Nahrungsbedarf, wie zum Beispiel für Dinosaurier, katastrophal. (Quelle: idw)

Wachsen uns verlorene Gliedmaßen bald nach?

Zebrafisch Foto: PD

Den molekularen Geheimnissen der Regeneration etwas mehr auf die Spur gekommen sind jetzt Forscher am DFG-Forschungszentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD) und am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen. In der Fachzeitschrift Developmental Biology beschreiben sie die neu entdeckte Funktion des Zebrafisch-Gens fam53b/simplet (smp) in Bezug auf den Regenerationsprozess von Geweben. Das ist die Voraussetzung dafür, zu verstehen, wie sich Körpergewebe nach Verlust wieder neu bildet.

Während der Neubildung von Schwanzflossen beim Zebrafisch reguliert smp zum einen die Vermehrung von Zellen und zum anderen die Aktivierung von Genen. In vorangegangenen Studien ist bereits die Rolle von smp im Prozess der Zellvermehrung identifiziert worden. In der nun vorliegenden Studie haben die Dresdner und Tübinger Forscher erkannt, dass smp während der frühen Regeneration der Schwanzflosse und des Herzens aktiv wird und die Struktur (Patterning) des neu entstehenden Gewebes maßgeblich beeinflusst. “Die starke Vermehrung von Zellen und die Regulierung von Genen nach dem Verlust von Körperteilen ist Teil des natürlichen Regenerationsprozesses bei Organismen, die die Fähigkeit besitzen, ganze Körperteile wiederherzustellen”, so Christopher Antos. “Der Zebrafisch kann verschiedene Gewebe, wie beispielsweise Flossen und Herz nach Teilverlust vollständig regenerieren.” Dabei spielt smp eine wichtige Rolle: “Im Zebrafisch wird smp bei der Neubildung der Flossen und des Herzens ‘angeschaltet’. Allerdings wird durch die Unterdrückung dieses Gens der Regenerationsprozess verhindert”, so Antos.

In dieser Studie haben die Forscher auch zeigen können, dass smp zwei Gene (msxb und shh) kontrolliert, die während der Regeneration wichtig sind. So beeinflusst smp die Aktivierung dieser Gene beim Nachwachsen von Schwanzflossen des Zebrafisches. “Herausgefunden haben wir diesen Zusammenhang, indem wir smp in einem Versuch ‘ausgeschaltet’ haben. Danach wurden die Gene shh und msx vermehrt gebildet”, erklärt Dr. Antos. Da nicht nur die reine Menge von neuen Zellen bei der Wiederherstellung von Gewebe wichtig ist, untersuchten die Wissenschaftler auch die Aufgabe des Gens smp bei der Strukturbildung von neuen Körperteilen. Manche Fische mit verminderter Menge an smp bilden mehr Knochen während der Regeneration der Schwanzflosse, allerdings am falschen Ort. “Demnach ist smp sehr wichtig, um Körperteile nach Verlust wieder fehlerfrei nachwachsen zu lassen”, fasst Antos zusammen.

Lässt diese Entdeckung auch Rückschlüsse auf den Menschen zu? Es gibt in der Tat ein menschliches Gen, das dem Zebrafisch Gen smp sehr ähnlich ist. “Das Potential dieses Genes bei der Neubildung von menschlichen Geweben ist bis jetzt nicht erforscht”, sagt Christopher Antos. Durch die Identifikation weiterer molekularer Zusammenhänge bei der Regenerierung sind therapeutische Ansätze für die Neubildung von menschlichem Gewebe zukünftig durchaus denkbar.  (Quelle: idw)

Wie das Tempo der Evolution für Resistenzen sorgt.

Video: Genmutation

Max-Planck-Forscher messen erstmals, wie schnell sich das Erbgut verändert. Ihre Erkenntnisse erklären zum Beispiel, warum Unkrautvernichtungsmittel oft innerhalb weniger Jahre ihre Wirkung verlieren.

Mutationen sind das Rohmaterial der Evolution. Schon Charles Darwin hatte erkannt, dass Evolution nur funktionieren kann, wenn es vererbbare Unterschiede zwischen Individuen gibt: Wer besser an die Umwelt angepasst ist, hat größere Chancen, seine Gene weiterzugeben. Eine Art kann sich daher nur weiterentwickeln, wenn sich das Erbgut permanent durch neue Mutationen verändert und die jeweils vorteilhaftesten Veränderungen in der Selektion bestehen. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen haben nun erstmals direkt die Geschwindigkeit des Mutationsprozesses in Pflanzen gemessen. Ihre Erkenntnisse werfen ein neues Licht auf einen grundlegenden Vorgang der Evolution und erklären zum Beispiel, warum Unkrautvernichtungsmittel oft innerhalb weniger Jahre ihre Wirkung verlieren. (Science, 1. Januar 2010)

“Während die langfristigen Auswirkungen von Erbgutmutationen auf die Evolution gut verstanden sind, war bislang weitgehend unbekannt, wie schnell solche Veränderungen auftreten”, erläutert Studienleiter Detlef Weigel, Direktor am Max-Planck-Institut in Tübingen. So ist es gängige Praxis, das Erbgut verwandter Tier- und Pflanzenarten zu vergleichen. Mutationen aber, die in den Jahrmillionen seit der Trennung dieser Arten wieder verlorengegangen sind, bleiben dabei unberücksichtigt. Weigel und seine Mitarbeiter interessierten sich nun dafür, wie die Handschrift der Evolution aussieht, bevor die Selektion eingreift. Hierfür verfolgten sie die genetische Entwicklung von fünf Linien der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana über 30 Generationen hinweg. Im Erbgut der letzten Generation untersuchten sie dann, welche Unterschiede sich im Vergleich mit den Ausgangspflanzen ergeben hatten.

Wie der aufwändige Vergleich des gesamten Genoms ergab, waren in nur wenigen Jahren in jeder der fünf Linien im Durchschnitt 20 einzelne DNA-Bausteine – so genannte Basenpaare – verändert worden. “Die Wahrscheinlichkeit, mit der ein beliebiger Buchstabe des Genoms innerhalb einer Generation verändert wird, liegt demnach bei rund sieben Milliardsteln”, rechnet Detlef Weigel vor. Anders ausgedrückt, hat ein Keimling im Durchschnitt knapp eine Neumutation in jeder der beiden Erbgutkopien, die er jeweils von der mütterlichen und väterlichen Seite mitbekommen hat. Diese winzigen Veränderungen im rund 120 Millionen Basenpaare umfassenden Genom von Arabidopsis zu finden, vergleicht Weigel mit der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen: “Die Mutationen aufzuspüren, war nur mithilfe neuer Methoden möglich, mit denen sich das komplette Erbgut einer Pflanze in kurzer Zeit erfassen lässt”. Dennoch war der Aufwand für die Experimente gewaltig: Um echte Neumutationen zuverlässig von Experimentierfehlern unterscheiden zu können, buchstabierten die Wissenschaftler jedes untersuchte Genom 30-mal vollständig durch.

Hohe Variabilität des Genoms

Angesichts der Genomgröße mag die Zahl der Neumutationen zunächst sehr gering erscheinen. Berücksichtigt man jedoch, dass dieser Prozess bei allen Individuen einer Art parallel abläuft, dann erweist sich das genetische Material insgesamt als erstaunlich plastisch: In nur 60 Millionen Arabidopsis-Individuen ist jede Position des Genoms im Durchschnitt einmal mutiert. Für eine Art, die Tausende von Samen in jeder Generation produziert, wahrlich keine große Anzahl von Pflänzchen.

Neben der Geschwindigkeit, mit der Neumutationen auftreten, wirft die Tübinger Studie ein neues Licht auf deren Verteilung im Genom. So stellten die Wissenschaftler fest, dass nicht alle möglichen Mutationsklassen gleichmäßig auftreten. Bei vier verschiedenen Arten von Basenpaaren im Genom gibt es sechs Möglichkeiten der Veränderungen – aber eine dieser sechs ist für die Hälfte aller Mutationen verantwortlich. Auch lässt sich nun genauer kalkulieren, wann sich die Entwicklungslinien verschiedener Arten voneinander getrennt haben – gut möglich daher, dass Stammbäume an neue zeitliche Maßstäbe angepasst werden müssen. Detlef Weigel geht anhand der neuen Daten etwa davon aus, dass Arabidopsis thaliana sich von ihrer Schwesterart Arabidopsis lyrata, die in vielen Merkmalen sehr unterschiedlich ist, nicht wie bisher angenommen erst vor fünf Millionen, sondern bereits vor 20 Millionen Jahren getrennt hat. Entsprechende Untersuchungen an anderen Arten könnten ebenfalls Neujustierungen nötig machen – etwa bei der Frage, zu welchem Zeitpunkt in der Ur- und Frühgeschichte verschiedene Haustiere und Ackerpflanzen domestiziert wurden.

Hohe Mutationsrate fördert Resistenzen gegen Herbizide

Auch für die Pflanzenzüchtung ergeben sich neue und Erfolg versprechende Gedankenexperimente. Bei genügend großen Populationen kann davon ausgegangen werden, dass nahezu jede mögliche Mutation im Verlauf einer oder weniger Generationen realisiert wird. Das bedeutet, dass spontan auftretende Mutationen, die den Ertrag steigern oder Pflanzen gegen Dürre unempfindlich machen, vermutlich gar nicht so selten sind, auch wenn das Auffinden geeigneter Veränderungen immer noch sehr aufwändig bleibt. Auf der anderen Seite treffen Herbizide, die auf große Flächen ausgebracht werden, auf eine umfangreiche Population von Unkräutern. Da deren Erbgut mit großer Wahrscheinlichkeit ähnlich wandlungsfreudig ist wie das der Ackerschmalwand, verwundert es nicht, dass Herbizidresistenzen innerhalb von wenigen Jahren auftauchen. “Dieser Effekt ist auch deshalb besonders deutlich ausgeprägt, weil Herbizide oft nur die Funktion eines einzelnen Gens beeinträchtigen”, sagt Detlef Weigel. Ein Ausweg wäre die Suche nach Herbiziden, die auf mehrere Gene wirken.

Die Tübinger Biologen gehen davon aus, dass auch das menschliche Genom einer ähnlich schnellen Veränderung unterworfen ist. “Wenn man unsere Ergebnisse auf den Menschen überträgt, dann finden von einer Generation zur nächsten durchschnittlich 60 Basenaustausche statt”, rechnet Weigel vor. Bei mehr als sechs Milliarden Menschen, die derzeit auf der Erde leben, bedeutet das, rein statistisch betrachtet, dass es für jede Stelle des Erbguts Dutzende von Erdbewohnern gibt, bei denen diese Position mutiert ist. “Alles, was genetisch möglich ist, wird demnach innerhalb recht kurzer Zeit durchgetestet”, resümiert Detlef Weigel und beschreibt damit einen völlig neuen Blick auf die Evolution, der man sonst eher ein Arbeitstempo zuschreibt, das sich in Jahrtausenden oder gar Jahrmillionen bemisst.

Originalpublikation
The rate and molecular spectrum of spontaneous mutations in Arabidopsis thaliana. Science, 1. Januar 2010. (Quelle: idw)

Gene oder Umwelt – was prägt den Menschen stärker?

Replikation der DNA

Unser flexibles Erbe

Die Gene des Menschen sind höchst flexibel, denn viele Umweltfaktoren beeinflussen, ob sie überhaupt abgelesen werden oder nicht. Für Psyche und Verhalten ebenso wichtig ist die Frage, welche Erbinformation vom Vater und welche von der Mutter stammt. Läuft hier etwas schief, können seelische Krankheiten entstehen.

Gene oder Umwelt – was prägt den Menschen stärker? Keines von beiden, sagen Forscher! Denn die vermeintlichen Kontrahenten arbeiten in Wirklichkeit Hand in Hand. Wie, das untersucht die “Epigenetik”, deren wichtigste Erkenntnisse die November-Ausgabe des Magazins “Gehirn&Geist” (11/2009) vorstellt.

Wie kanadische Forscher herausfanden, entscheiden frühkindliche Erfahrungen mit darüber, ob bestimmte Stressgene abgelesen werden oder nicht: Bei Suizidopfern, die als Kinder sexuell oder körperlich missbraucht worden waren, war ein Erbfaktor blockiert, der normalerweise die Stressresistenz fördert. An der DNA saßen so genannte Methylgruppen, die das Ablesen des Gens unterbanden. Auch eineiige Zwillinge, die bekanntlich genetisch identisch sind, offenbaren mit zunehmendem Lebensalter unterschiedliche Methylierungsmuster. Die unterschiedlichen Lebenserfahrungen brennen sich quasi in ihre DNA. Dies erklärt, warum ein Zwilling an einer psychischen Krankheit wie Schizophrenie leiden kann, ohne dass sein Geschwister ebenfalls betroffen sein muss.

Eine wichtige Rolle spielt auch, von welchem Elternteil das jeweilige Erbgut stammt. Denn von manchen Genen werden die väterlichen, von anderen die mütterlichen Versionen bereits im Embryo stillgelegt. Diese “genomische Prägung” scheint nach neusten Forschungsergebnissen größeren Einfluss auf die psychische Entwicklung zu haben, als bislang vermutet. So wird die Reifung bestimmter Hirnregionen eher durch mütterliche, andere Areale dagegen durch väterliche Gene gesteuert.

Inzwischen kennen Epigenetiker etliche Krankheiten, die durch Prägungsfehler ausgelöst werden. Wenn etwa ein bestimmter Abschnitt des von der Mutter geerbten Chromosoms 15 fehlt, zeigt das Kind Entwicklungsdefizite, die als Angelman-Syndrom bekannt sind. Ist dagegen das väterliche Chromosom betroffenen, löst dies das Prader-Willi-Syndrom mit geistiger Behinderung und Stoffwechselstörungen aus. Auch bei Autismus, Schizophrenie, Depression und sogar Alzheimer-Demenz könnte die genomische Prägung maßgebend sein.

Quelle: Gehirn&Geist, November 2009

Wie die Umwelt unsere Gene beeinflusst


 

Unser flexibles Erbe

Die Gene des Menschen sind höchst flexibel, denn viele Umweltfaktoren beeinflussen, ob sie überhaupt abgelesen werden oder nicht. Für Psyche und Verhalten ebenso wichtig ist die Frage, welche Erbinformation vom Vater und welche von der Mutter stammt. Läuft hier etwas schief, können seelische Krankheiten entstehen.

Gene oder Umwelt – was prägt den Menschen stärker? Keines von beiden, sagen Forscher! Denn die vermeintlichen Kontrahenten arbeiten in Wirklichkeit Hand in Hand. Wie, das untersucht die “Epigenetik”, deren wichtigste Erkenntnisse die November-Ausgabe des Magazins “Gehirn&Geist” (11/2009) vorstellt.

Wie kanadische Forscher herausfanden, entscheiden frühkindliche Erfahrungen mit darüber, ob bestimmte Stressgene abgelesen werden oder nicht: Bei Suizidopfern, die als Kinder sexuell oder körperlich missbraucht worden waren, war ein Erbfaktor blockiert, der normalerweise die Stressresistenz fördert. An der DNA saßen so genannte Methylgruppen, die das Ablesen des Gens unterbanden. Auch eineiige Zwillinge, die bekanntlich genetisch identisch sind, offenbaren mit zunehmendem Lebensalter unterschiedliche Methylierungsmuster. Die unterschiedlichen Lebenserfahrungen brennen sich quasi in ihre DNA. Dies erklärt, warum ein Zwilling an einer psychischen Krankheit wie Schizophrenie leiden kann, ohne dass sein Geschwister ebenfalls betroffen sein muss.

Eine wichtige Rolle spielt auch, von welchem Elternteil das jeweilige Erbgut stammt. Denn von manchen Genen werden die väterlichen, von anderen die mütterlichen Versionen bereits im Embryo stillgelegt. Diese “genomische Prägung” scheint nach neusten Forschungsergebnissen größeren Einfluss auf die psychische Entwicklung zu haben, als bislang vermutet. So wird die Reifung bestimmter Hirnregionen eher durch mütterliche, andere Areale dagegen durch väterliche Gene gesteuert.

Inzwischen kennen Epigenetiker etliche Krankheiten, die durch Prägungsfehler ausgelöst werden. Wenn etwa ein bestimmter Abschnitt des von der Mutter geerbten Chromosoms 15 fehlt, zeigt das Kind Entwicklungsdefizite, die als Angelman-Syndrom bekannt sind. Ist dagegen das väterliche Chromosom betroffenen, löst dies das Prader-Willi-Syndrom mit geistiger Behinderung und Stoffwechselstörungen aus. Auch bei Autismus, Schizophrenie, Depression und sogar Alzheimer-Demenz könnte die genomische Prägung maßgebend sein.  Quelle: Gehirn&Geist, November 2009

Künstliche Lebewesen aus der Retorte

Die synthetische Biologie ist ein junger Forschungszweig, der sich anschickt, in einer Art zweiter Schöpfung nach vier Milliarden Jahren ein künstliches Lebewesen aus der Retorte zu erschaffen. Forscher wie Tom Knight, Drew Endy und Randy Rettberg (MIT Cambridge, USA) entwerfen nach dem Legoprinzip zunächst modulare biologische Bausteine die sogenannten »BioBricks«. Diese Biobricks erfüllen definierte biologische Aufgaben, analog den elektronischen Schaltkreisen, wie sie in Mikroprozessoren (Computer) zu finden sind.

Biobricks befinden sich in der experimentellen Phase und werden bereits in die »Baupläne des Lebens« von Bakterien eingebaut. In ersten Erfolgen hat die kalifornische Firma LS9 das Darmbakterium Escherichia coli reprogrammiert. Nun erzeugt das Bakterium Biosprit aus Mais-Sirup und Zuckerrohr.

Als Bauplan des Lebens oder DNA bezeichnet man ein in allen Lebewesen vorkommendes Biomolekül, welches die komplette Erbinformation (Genom) trägt. DNA besteht aus zwei parallelen Strängen, die einander schraubenartig umlaufen (Doppelhelix). Die Stränge sind durch Sprossen miteinander verbunden. So eine Sprosse wird als Basenpaar bezeichnet, weil sie aus zwei sich ergänzenden Basen und einer Wasserstoffbrücke gebildet wird. Chemisch gesehen handelt es sich bei der Base um ein Nukleotid, welches zu den vier Gruppen der Biomoleküle gehört. Ein Basenpaar stellt die unterste Informationseinheit der DNA dar und entspricht zwei Bit herkömmlicher Information. Die Abschnitte der DNA, welche die Information über die einzelnen Erbanlagen enthalten, werden Gene genannt. Bei Katzen kann beispielsweise ein Gen das Merkmal kurzer oder langer Schwanz bedeuten, ein anderes Gen braunes oder weißes Haar. Menschen besitzen ca. 25.000 Gene mit 3 Billionen Basenpaaren, ein Bakterium 500 bis 7000 Gene mit 1 – 10 Millionen Basenpaaren.

Video: Craig Venter (in englisch)

Schöpfung oder bekanntes Verfahren?

Einer, dem es kürzlich gelungen ist, das komplette Erbgut eines Bakteriums im Labor synthetisch herzustellen und zusammenzusetzen, ist der US-amerikanische Biochemiker Craig Venter. Venter hatte sich bereits früher einen Namen gemacht, als er im Jahr 2000 das menschliche Genom entschlüsselte. Auch wenn die Synthese von DNA unter den Forschern als allseits bekanntes Verfahren gilt, ist das von Venter erzeugte synthetische Genom mit rund 500.000 Basenpaaren nach seinen Angaben zwanzig Mal größer als alles, was man bisher zusammenhängend produziert hat.

Im nächsten Schritt will Venter das synthetische Genom in eine lebende Bakterienzelle einschleusen. In dieser soll es anstelle des natürlichen Genoms die Kontrolle übernehmen. Dadurch würde er nach seiner Ansicht einen neuen künstlich hergestellten Organismus schaffen. Das wäre ein Durchbruch gegenüber der herkömmlichen Gentechnologie, die nur einzelne Gene verändern kann, aber nicht ganze Gen-Systeme.

Komplette biologische Systeme nach Maß

Noch einen Schritt weiter geht das Zusammenstellen kompletter biologischer Systeme aus Biobricks nach Maß. Die Forscher am Massachusetts Institute for Technology (MIT) haben, um das Ziel zu erreichen, schon mehr als zweitausend Biobricks in einer Datenbank gesammelt. Wie Elektroingenieure ein Schaltbild aus elektronischen Komponenten am Reißbrett zeichnen, wollen die MIT-Zellingenieure nun aus den Genabschnitten der Biobricks komplette Gen-Systeme zusammenstellen. Das so entworfene Genom wird nach Plan produziert und anschließend sollen leere Zellhüllen mit dem künstlichen Erbgut bestückt werden. Das auf diese Weise künstlich geschaffene »Lebewesen« soll dann die geplanten Substanzen produzieren, beispielsweise Biokraftstoffe, Medikamente oder Biokunststoffe.

Kritiker wie Professor André Rosenthal sind allerdings der Ansicht, dass man von der Schaffung künstlichen Lebens noch Jahrhunderte entfernt ist. Rosenthal ist Leiter der Signature Diagnostics AG in Potsdam, die Gen-Tests zur Krebs-Früherkennung erstellt. Auch wenn das Genom synthetisiert werden kann, ist doch die Hülle der Zelle nicht künstlich hergestellt und das ist für ihn entscheidend. Nach seiner Meinung wäre Craig Venters Arbeit nur interessant, wenn er eine künstliche Zelle mit den entsprechenden Zellorganellen im Reagenzglas erzeugen könnte. Wie die Zeitschrift »Bild der Wissenschaft« in ihrer Ausgabe 3/2009 berichtet, gibt es aber bereits Ansätze zur Erschaffung einer kompletten funktionstüchtigen Zelle einschließlich Hülle, wenn auch noch ein langer Weg vor den Forschern liegt. – Klaus-Dieter Sedlacek

Der Autor ist Verfasser des Buchs »Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen«. In dem Buch wird unter anderem der Zusammenhang zwischen den fundamentalen Bausteinen der Welt und Bewusstsein aufgedeckt.