Wie Mikroorganismen ihr Erbgut ordnen

Wie Mikroorganismen ihr Erbgut bei der Zellteilung präzise segregieren, ist insbesondere bei Archaeen bislang unzureichend verstanden. Ein Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel hat nun am halophilen Modellorganismus Haloferax volcanii einen neuartigen Mechanismus aufgedeckt. Entgegen der bisherigen Annahme, dass eine hohe Polyploidie die Chromosomenverteilung dem Zufall überlässt, demonstriert die Studie, dass ein spezifisches Proteinsystem die multiple Kopienzahl gezielt räumlich organisiert.

Das „Equipositioning“-Prinzip und das HpaAB-System

Mit rund 20 Kopien des Hauptchromosoms sowie sekundären Chromosomen schien bei H. volcanii eine rein stochastische Verteilung auf die Tochterzellen plausibel. Dass dies biologisch nicht dem Zufall überlassen bleibt, zeigt das identifizierte Proteinsystem HpaAB. Es realisiert ein sogenanntes „Equipositioning“, bei dem DNA-gebundene Komplexe äquidistant im Zytoplasma platziert werden.

Kartikeyan Premrajka erläutert diesen Befund: „Wir sind bisher davon ausgegangen, dass die vielen Chromosomenkopien eine zufällige Verteilung ermöglichen. Unsere Ergebnisse zeigen nun, dass die Zelle offenbar nichts dem Zufall überlassen muss: Sie besitzt ein aktives System, das die Kopien eines Chromosoms gezielt in regelmäßigen Abständen positioniert. Das war eine überraschende Entdeckung.“

Funktionelle Architektur und Nanoskopie

Das HpaAB-Komplexsystem vereint evolutionär unterschiedliche Komponenten: ein archaeelles DNA-Bindeprotein zur Erkennung spezifischer Sequenzen und ein bakteriell verwandtes, ATP-abhängiges Motorprotein. Mithilfe hochauflösender Einzelmoleküllokalisations-Mikroskopie (Nanoskopie) ließ sich nachweisen, dass das Fehlen der Motorproteinkomponente zum Verlust dieser Ordnung und zu einer zufälligen Dispersion führt.

Flexibilität in Morphologie und synthetische Biologie

Da H. volcanii im Verlauf seines Wachstums zwischen stäbchenförmigen und irregulären, scheibenförmigen Zellgeometrien wechselt, versagt eine eindimensionale Segregation entlang einer festen Längsachse. Das HpaAB-System ermöglicht stattdessen eine flächige, gleichmäßige Verteilung. Dr. Marius Ortjohann betont diesen Aspekt: „Besonders spannend ist, dass H. volcanii seine Zellform im Laufe des Wachstums stark verändern kann. Ein System, das Chromosomenkopien gleichmäßig im Zellraum positioniert, könnte hier einen entscheidenden Vorteil bieten: Es funktioniert möglicherweise auch dann zuverlässig, wenn die Zelle keine feste Teilungsachse besitzt.“

Abschließend resümiert Professor Marc Bramkamp die Bedeutung der Befunde für die Systembiologie: „Wir haben einen Mechanismus entdeckt, der zeigt, wie vielfältig die Lösungen der Natur für ein grundlegendes biologisches Problem sind: die zuverlässige Weitergabe des Erbguts. Besonders interessant ist für uns, dass hier zwei Proteine unterschiedlicher evolutionärer Herkunft zusammenarbeiten. Solche einfachen, aber wirkungsvollen molekularen Systeme könnten langfristig auch für die Entwicklung synthetischer Zellen interessant werden.“

Quelle

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (11/2025)