Aus Feind wird Freund

Forscher fassen in einer neuen Studie den aktuellen Stand der Forschung bei der Entstehung von Mitochondrien und Plastiden zusammen. Die Suche nach den Vorfahren der heute bekannten Organellen ist kein Selbstzweck der Forscher. Neben der Ursachensachensuche bei der Entstehung von Krankheiten geht es auch darum zu begreifen wie multizelluläres Leben entstehen konnte und sich weiterentwickeln wird.

Die Endosymbiontentheorie ist das vorherrschende Erklärungsmodell für die Tatsache, dass in eukaryotischen Zellen abgegrenzte Organisationseinheiten vorkommen, die lebenswichtige Funktionen übernehmen und sogar ein eigenes Genom haben. Interessant dabei ist, dass es neben den Mitochondrien und den Plastiden, die vermutlich auf diese Weise entstanden sind, bisher nur einen weiteren bekannten Fall von Endosymbiose gibt, nämlich bei einem Bakterium namens Paulinella. Weitere Forschung zur Klärung der Vorgänge ist also nötig. Eine aktuelle Studie fasst die neuesten Forschungsergebnisse zusammen.

Mitochondrien und Plastiden

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Teilweise eigenständige (semiautonome) Zellorganellen gibt es in nahezu allen eukaryotischen Zellen. Sie besitzen ein eigenes Genom, eigene Ribosomen und sind von einer Doppelmembran umgeben. Dazu gehören Mitochondrien und Plastiden.

Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle. In ihnen läuft die sogenannte Atmungskette ab, in der als Teil des Energiestoffwechsels Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) produziert wird. ATP ist die „Energiewährung“, die Zellen benötigen, um ihre Funktionen aufrecht zu erhalten.

Plastiden, also Chloroplasten und deren „Verwandte“, übernehmen verschiedene Funktionen in der Pflanzenzelle: Zum Beispiel die Photosynthese (Chloroplasten) oder die Speicherung von Reservestoffen (Leukoplasten).

Spezielle Eigenschaften erwünscht

Die Tatsache, dass Mitochondrien und Plastiden semiautonom sind, spricht dafür, dass sie vor vielen Millionen Jahren aus eigenständigen Bakterienzellen entstanden sind. Diese haben es geschafft, sich innerhalb einer anderen Zelle einzunisten und dort zu überleben. Damit das klappt, müsste die Vorläuferzelle allerdings die Fähigkeit besessen haben, die Abwehr der zukünftigen Wirtszelle auch längerfristig zu umgehen. Das können in der Regel nur pathogene Zellen, die bereits die entsprechenden Mechanismen mitbringen, die die interne Abwehr ausschalten können, um sich innerhalb der Wirtszelle einnisten zu können. In Frage kommen laut aktuellem Stand der Wissenschaft Bakterien aus der Gattung Rickettsia (Klasse Alphaproteobacteria). Sie sind in der Lage, sich direkt im Cytosol der Wirtszelle zu vermehren und tricksen dafür offenbar die wirtseigene Abwehr aus. Einmal festgesetzt, ziehen sie von der Wirtszelle produziertes ATP ab und werden daher oft als „Energieparasiten“ bezeichnet.

Neue Freundschaft

Aber das allein reicht noch nicht aus, um es sich innerhalb einer anderen Zelle dauerhaft gemütlich zu machen. Dazu muss auch die Wirtszelle bestimmte Eigenschaften mitbringen. Laut der Forscher sind das unter anderem die Fähigkeiten zur Abgabe von Stoffen über Vesikel und zur Aufnahme von Partikeln oder kleinen Zellen über eine Einstülpung der äußeren Membran (Phagozytose). Der 2015 entdeckte Stamm der Lokiarchaeota besitzt diese Fähigkeiten und stellt möglicherweise einen wichtigen Vorläufer bei der Entwicklung unserer heutigen eukaryotischen Zellen dar.

Wird jetzt eine pathogene Zelle von einer potentiellen Wirtszelle aufgenommen, so beginnt zunächst ein internes „Wettrüsten“: Die Wirtszelle wird immer neue Strategien entwickeln, um dem Eindringling das Leben so unschön wie möglich zu machen (zum Beispiel mit speziellen Abwehrstoffen), die pathogene Zelle wird versuchen, die interne Abwehr mit immer neuen Tricks zu behindern, zum Beispiel über Effektorproteine. Im Fall der zukünftigen Mitochondrien entstand so wohl nach und nach eine zunehmend engere Beziehung zwischen Wirt (Lokiarchaeum) und Pathogen (Rickettsia), wobei der Pathogen sich mehr und mehr an das Leben innerhalb des Wirts anpasste und mit ihm über Effektorproteine kommunizierte.

Co-Produktion bei den Plastiden

Während die Entstehung der Mitochondrien vergleichsweise einfach erscheint, sieht es bei den Plastiden etwas anders aus. Von den Chloroplasten, den Vorläufern aller anderen Plastiden, ist bekannt, dass sie durch Aufnahme von Cyanobakterien in einer bereits mit Mitochondrien versehene Wirtszelle entstanden sind. Nur haben Cyanobakterien nicht die Fähigkeiten von Pathogenen, der zelleigenen Abwehr zu entgehen. Hier vermuten die Forscher eine „Co-Produktion“ von Cyanobakterien und einem Pathogen, vermutlich aus der Familie der Chlamydiaceae. Gene aus dem Kern von pflanzlichen Eukaryotenzellen, die offenbar ursprünglich von Chlamydien stammen, brachten die Forscher auf die Spur. Sie vermuten, dass die Cyanobakterien zusammen mit den Chlamydien in die Wirtszelle kamen und dass die Cyanobakterien von der pathogenen „Trickkiste“ bei der Verteidigung gegen die interne Abwehr profitierten, so dass sie sich zu Endosymbionten entwickeln konnten. Allerdings ist der Prozess hierbei noch nicht voll erforscht.

Die Wissenschaftler betonen, dass wesentlich mehr Forschung nötig sei, um die einzelnen Vorgänge bei der Entwicklung einer Endosymbiose verstehen zu können. Dazu müssten die Genome verschiedener infrage kommender Bakterienordnungen intensiver untersucht und Experimente im Labor vorgenommen werden. Vielleicht ist es dann möglich, die eine vordringliche Frage zu klären: Warum tritt Endosymbiose in der Natur so selten auf?