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Nr. 82, 18.10.2014  voriger  Übersicht  weiter  REIHEN  SUCHE 

Die Mechanik der Symbiose

Erbsenblattläuse brauchen Bakterien, um zu überleben, und umgekehrt. Eine Kieler Materialwissenschaftlerin will entschlüsseln, wie dieses Zusammenleben funktioniert – und dabei neuartige biomimetische Materialien entwickeln.


Christine Selhuber-Unkel, Professorin für Biokompa­tible Nanomaterialien am Institut für Material­wis­senschaft, hat den Sommer damit verbracht, Erb­senblattläuse zu untersuchen. Drei Monate war sie dafür an der renommierten Cornell University in Ithaca, USA. Dort trug sie die Verantwortung für eine kleine Kultur von Läusen auf einer Erbsenpflanze.

Doch das war natürlich nicht alles: Die am Projekt beteiligten Forschenden interessiert vielmehr, was im Inneren der Insekten vor sich geht. Denn da leben in speziellen Zellen, den Bakteriozyten, Bakterien, die für ihr Wirtstier Aminosäuren auf- und umbauen. Umgekehrt versorgen die Läuse ihre Endosym­bionten genannten Mitbewohner mit lebenswichtigen Stoffen. Wie das Zusammenspiel dieser beiden Organismen im Detail abläuft, konnte bisher nicht aufgeklärt werden.

Eine Materialwissenschaftlerin, die sich mit einem zunächst rein biologisch anmutenden Problem beschäftigt? Besonders ein Geheimnis möchte die Kielerin der Lebensform entlocken: Wie erkennt ein Bakteriozyt, dass er keine weiteren Bakterien aufnehmen kann? Wann hört er also auf zu wachsen? Und wie werden »funktionslose« Bakterien erkannt und aussortiert?

»Bei vielen biologischen Prozessen spielen mechanische Kräfte, auf die Zellen reagieren, eine große Rolle«, so Selhuber-Unkel. Das führt zum Beispiel dazu, dass Knochenzellen bevorzugt auf harten, Nervenzellen auf weichen Materialien wachsen. Es könnte also sein, dass die Bakteriozyten wissen, wie weit sie die Bakterien zusammendrücken können, ohne sie zu zerstören oder sich selbst zu gefährden. Denn die Bakterien sind extrem dicht in den Zellen gepackt, wie die Forscherin bereits herausfand. Es gilt aufzudecken, welche Signalmechanismen die Natur hier entwickelt hat.

»Wir haben einen sehr interdisziplinären Ansatz gewählt, der die Symbiose in einen biophysikalischen und materialwissenschaftlichen Kontext stellt«, sagt Selhuber-Unkel. Ausgestattet mit einem Feodor-Lynen-Stipendium der Alexander von Humboldt-Stiftung ging sie dafür als Gastwissenschaftlerin in die USA. Dort arbeitete sie eng mit der Insektenforscherin Angela Douglas, dem Biophysiker Jan Lammerding und dem Materialwissenschaftler Chris Ober zusammen.

Die Professorin für Biokompatible Nanomaterialien hat aber noch viel mehr vor. Ziel der Studie ist es, drei bis fünf Mikrometer (ein Mikrometer ist ein tausendstel Millimeter) kleine funktionelle Kügelchen herzustellen, die die Bakterien innerhalb der Erbsenblattläuse imitieren sollen. Sie sollen in der Lage sein, ebenso wie ihre natürlichen Vorbilder Stoffe an das Wirtstier abzugeben. Dazu müssen die Bakteriozyten diese künstlichen Partikel akzeptieren und aufnehmen.

In Zusammenarbeit mit den amerikanischen Kolleginnen und Kollegen von der Cornell University entwickelt Selhuber-Unkels Team die Partikel nun auch in den Kieler Laboren. Sie sollen aus biokompatiblen Hydrogelen bestehen, die also keinen negativen Einfluss auf den Stoffwechsel haben. Diese Materialien können sich wie Schwämme mit den von den Erbsenblattläusen benötigten Aminosäuren vollsaugen. Über mehrere Tage sollen sie diese dann wieder abgeben. Gelingt es den Forscherinnen und Forschern, die Kügelchen in die Bakteriozyten einzuschleusen, würde nicht nur das natürliche Prinzip der Symbiose bei diesem Beispielorganismus grundlegend verstanden werden.

Die Ergebnisse hätten auch einen konkreten Anwendungsbezug: Die Erbsen blattlaus verursacht als Schädling ernstzunehmende Ernteeinbußen bei Erbsen, Bohnen, Linsen und ähnlichen Gewächsen. Ihre Endosymbionten könnten ein Ansatzpunkt sein für ein zielgerichtetes Vorgehen gegen die Insekten in der Landwirtschaft. Anstatt Felder mit Pestiziden zu überschütten, könnten Mittel entwickelt werden, die die restliche Umwelt nicht in Mitleidenschaft ziehen.

Sobald die Partikel hergestellt sind, will Selhuber-Unkel wieder für drei Monate an die Cornell wechseln, um mit den Blattläusen zu arbeiten. So tief in die Biologie einzusteigen, sei für sie als Materialwissenschaftlerin schon ein besonderes Erlebnis, sagt sie.

Denis Schimmelpfennig
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