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Was Zucker über den Ursprung des Lebens verraten

Forschungsteam aus der CAU-Mikrobiologie entdeckt bislang unbekannte Regulation des Zuckerabbaus bei Urbakterien

Alle Lebewesen haben im Laufe der Erdgeschichte Strategien entwickelt, um aus Nahrungsstoffen Energie für ihr  Dasein zu gewinnen und so  Leben   zu ermöglichen. Komplexe vielzellige Organismen greifen auch heute noch auf dieselben Mechanismen zurück, die auch einfach organisierte Lebewesen für ihren Stoffwechsel verwenden. Ein zentrales Element ist die sogenannte Glykolyse, also das Aufspalten von Zuckern zum Energiegewinn. Aber wie hat sich dieser Stoffwechselweg zu Beginn der Erdgeschichte entwickelt? Und was sind die generellen Unterschiede der Regulation glykolytischer Abbauwege?

Wissenschaftler sind sich einig, dass das Leben vermutlich vor rund dreieinhalb Milliarden Jahren in heißen vulkanischen Quellen entstanden ist. Die Lebensbedingungen in dieser sprichwörtlichen Ursuppe haben kaum etwas mit unserer heutigen Umwelt gemeinsam: Extrem hohe Temperaturen, die Abwesenheit von Licht, Sauerstoff und organischen Verbindungen sind am besten als lebensfeindlich zu beschreiben. Trotzdem konnten einfache und ursprüngliche Organismen, wie die sogenannten hyperthermophilen Archaeen, die Urbakterien, in dieser Umwelt gedeihen. Diese einfachen Organismen kommen auch heute noch zum Beispiel in den Hydrothermalquellen der Tiefsee vor. Sie brauchen Hitze, also Temperaturen um 100° Celsius, und nur einfache vulkanische Gase wie etwa Wasserstoff, Kohlendioxid und Schwefel, um zu wachsen. Allerdings sind diese Urbakterien auch in der Lage, organische Stoffe wie Zucker zur Energiegewinnung zu nutzen. Ein Forschungsteam vom Institut für Allgemeine Mikrobiologie an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) um Professor Peter Schönheit hat in einer neuen Arbeit einen bislang unbekannten Weg der Glykolyse und deren Regulation bei diesen hyperthermophilen Archaeen aufgeklärt. Am Beispiel der Urbakterien konnten die Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun belegen, wie dieser evolutionär ursprüngliche Mechanismus des Zuckerabbaus funktioniert, wie er reguliert wird und welche molekularen Akteure daran beteiligt sind. Ihre neuartigen Ergebnisse veröffentlichten sie kürzlich in der renommierten biochemischen Fachzeitschrift The FEBS Journal der Gemeinschaft Europäischer Biochemischer Gesellschaften (Englisch: Federation of European Biochemical Societies, FEBS).  
 

Der Zuckerabbau als zentrales Stoffwechselelement

Die meisten heute lebenden Organismen von einfachen Mikroben bis hin zu den hochentwickelten Vielzellern einschließlich des Menschen, bauen Zucker, zum Beispiel den einfachen Zucker Glukose, über einen grundsätzlich identischen, gewissermaßen ‚klassischen’ Weg, die sogenannte Glykolyse, ab. Die Urbakterien, die hyperthermophilen Archeen, bauen Zucker dagegen über modifizierte Varianten der klassischen Glykolyse ab. An diesen glykolytischen Abbauwegen sind verschiedene Enzyme beteiligt, die Energie in Form des universellen Energieträgers Adenosintriphosphat (ATP) speichern und verfügbar machen. Die Geschwindigkeit der dabei ablaufenden Prozesse der ATP-Bildung hängen vom Energiezustand der Zelle ab: Herrscht Energiemangel, werden einzelne Enzyme, insbesondere die sogenannte Pyruvatkinase, aktiviert. Welche Moleküle diese Aktivierung auslösen, ist für die klassische Form der Glykolyse seit langem bekannt. So werden die Pyruvatkinase vieler Mikroorganismen und auch des Menschen durch den phosphorylierten Zucker Fruktosebisphosphat aktiviert.

Die Forschungsgruppe in der Kieler Mikrobiologie untersucht unter Schönheits Leitung seit vielen Jahren die Prozesse des Zuckerstoffwechsels von hyperthermophilen Urbakterien. Dabei haben sie bisher nicht bekannte Abbauwege beschrieben und die Beteiligung einer Vielzahl von neuartigen Enzymen entdeckt. Unklar war allerdings bis zuletzt, welcher Baustein bei den Archaeen für die Aktivierung der Pyruvatkinase zuständig ist, Fruktosebisphosphat konnte als Aktivator ausgeschlossen werden. „Nun ist es uns endlich gelungen, das fehlende Puzzleteil im Zuckerabbau der Urbakterien zu identifizieren“, freut sich Mikrobiologe Peter Schönheit. „Die Analyse der Kristallstruktur der Pyruvatkinase einer bestimmten Urbakterienart, Pyrobaculum aerophilum, lieferte den entscheidenden Hinweis auf den bislang unbekannten Aktivator, das sogenannte 3-Phosphoglycerat“, so Schönheit weiter.

Das Forschungsteam, zu dem Erstautorin Dr. Ulrike Johnsen und Dr. Andreas Reinhardt aus Schönheits Arbeitsgruppe, der Strukturbiologe Professor Christopher Davies von der Medical University of South Carolina, sowie die CAU-Bioinformatiker Dr. Giddy Landan und Dr. Fernando Tria gehören, konnte  zeigen, dass diese neu beschriebene Form der Regulation der Pyruvatkinasen eine weite Verbreitung innerhalb der Urbakterien hat. „Der Zuckerabbau bei Urbakterien wird durch einen völlig anderen Aktivator, eine phosphorylierte Säure - das 3-Phosphoglycerat - reguliert. Dieser Regulator ist an die Besonderheiten der archaeellen Glykolyse angepasst und ist in der klassischen Glykolyse nicht wirksam“, betont Dr. Ulrike Johnsen, wissenschaftliche Mitarbeiterin in Schönheits Gruppe und Erstautorin der Arbeit.
 

Die Evolution des Stoffwechsels

Die nun gelungene Aufklärung des Aktivierungsmechanismus des Zuckerabbaus bei den Archaeen erlaubt auch neue Einblicke in den Ablauf der frühen Entwicklungsgeschichte des Lebens. Der Vergleich der stammesgeschichtlichen Verwandtschaftsverhältnisse unterschiedlich komplexer Organismen deutet darauf hin, dass verschiedene Mechanismen des Zuckerabbaus mehrfach und unabhängig voneinander in der Evolution entstanden sein könnten. In Anpassung an veränderliche Umweltbedingungen, wie beispielsweise die Abwesenheit von Licht und Luft in den heißen Quellen der Urzeit oder die plötzliche massenhafte Verfügbarkeit von Zucker infolge der neu entstandenen Photosynthese, brachte die Evolution diese Fähigkeit in verschiedenen Formen hervor. Eine besonders frühe Ausprägung zeigte sich dabei in den hyperthermophilen Urbakterien, die möglicherweise die ersten Lebewesen mit dieser Stoffwechseleigenschaft waren.

Schönheits Arbeiten zu alternativen Wegen des Zuckerabbaus in ursprünglichen Lebewesen tragen damit wesentlich zum Verständnis der frühen Entwicklung des Lebens und der damit verbundenen Stoffwechselprozesse bei. Gemeinsam mit seinem Team führt er damit ein klassisches und erfolgreiches Forschungsgebiet an der Kieler Universität fort: Professor Otto Meyerhof erforschte zu Beginn des 20. Jahrhunderts an der CAU die Mechanismen der  Energieumwandlung in der Zelle und beschrieb dabei erstmals den klassischen Mechanismus der Glykolyse bei vielzelligen Lebewesen.1922 wurde Meyerhof für diese bahnbrechenden Erkenntnisse mit dem Nobelpreis für Medizin ausgezeichnet.

Drei Menschen vor einem Gebäude
© Christian Urban, Uni Kiel

Entdeckten die bislang unbekannten Regulation des Zuckerabbaus bei Urbakterien: Professor Peter Schönheit (links), Dr. Ulrike Johnsen und Dr. Andreas Reinhardt vom Institut für Allgemeine Mikrobiologie an der CAU.

Fotomontage einer heißen Quelle und einer Grafik einer Kristallstruktur
© Peter Schönheit, Christopher Davies

Visualisierung der Kristallstruktur der Pyruvatkinase aus einem Urbakterium vor einem hyperthermophilen See, der „Grand Prismatic Spring“ (Yellowstone National Park, USA), einem Lebensraum hitzeliebender Archaeen.

 

Ein Mann arbeitet in einem Labor
© Christian Urban, Uni Kiel

Die Ergebnisse seiner Doktorarbeit flossen in die neue Veröffentlichung ein: Dr. Andreas Reinhardt bei der Arbeit im Labor.

 

Originalarbeit:

Ulrike Johnsen, Andreas Reinhardt, Giddy Landan, Fernando D. K. Tria, Jonathan M. Turner, Christopher Davies, Peter Schönheit (2019): New views on an old enzyme: allosteric regulation and evolution of archaeal pyruvate kinases. The FEBS Journal DOI: 10.1111/febs.14837 

Weitere Informationen:

AG Stoffwechsel der Mikroorganismen, Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU Kiel:
www.mikrobio.uni-kiel.de/de/ag-schoenheit 

Kontakt:

Professor Peter Schönheit
AG Stoffwechsel der Mikroorganismen,
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU Kiel
0431-880-4328
peter.schoenheit@ifam.uni-kiel.de

Pressekontakt:

Christian Urban
Wissenschaftskommunikation
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