Ingo Heilmann mit Ackerschmalwand-Pflänzchen. (Foto: M. Scholz)

Die kleinste Unbekannte als größte Herausforderung

Mit bloßem Auge ist sie nicht zu erkennen: Die Zelle ist die kleinste lebende Einheit eines Organismus. Was in ihr vorgeht, ist in vielen Punkten noch immer unbekannt. Je intensiver Biologen heute die Bestandteile und Mechanismen innerhalb der Zelle erforschen, desto komplexer und vielfältiger erscheint sie. Aktuelle Forschungsarbeiten am Lehrstuhl für Zelluläre Biochemie liefern neue Erkenntnisse zu Pflanzenzellen und werfen zugleich neue Fragen auf.

Lange Zeit standen tierische Zellen in der Wissenschaft im Vordergrund: Intensiv und aufwändig wurde an ihnen geforscht. Da der Mensch dem Tier stärker ähnelt als der Pflanze, versprach die Forschung an tierischen Zellen den größeren medizinischen Nutzen. Doch inzwischen hat die Pflanzenforschung aufgeholt. Weltweit arbeiten Biowissenschaftler daran, die Vorgänge innerhalb der Pflanzenzellen besser zu verstehen. Mittendrin: Die Forscher vom Weinberg-Campus, die mit ihren Arbeiten in der Fachwelt immer wieder für neuen Diskussions- und Forschungsstoff sorgen. So zuletzt auch das Team um Prof. Dr. Ingo Heilmann mit einer Veröffentlichung in der renommierten Fachzeitschrift „The Plant Cell“.

Pflanzenzellen haben tierischen Zellen in mancher Hinsicht viel voraus: „Sie sind Produzenten. Sie wandeln durch Photosynthese Kohlendioxid in Biomasse um und bauen die organischen Moleküle auf, die wir Tiere und Menschen nur zerlegen können“, erklärt der Biochemiker. „Der Sauerstoff, den wir atmen, entsteht dabei sozusagen als Abfallprodukt.“ Und viele für uns wertvolle Bestandteile besitzen nur Pflanzen: Sekundäre Inhaltsstoffe zum Beispiel, die der Mensch seit Jahrtausenden nutzt, um etwa Schmerzen zu lindern oder länger wach zu bleiben. „Aber was die Pflanze selbst von diesen Stoffen hat und was sie damit macht – davon wusste man wenig bis gar nichts.“ In den 1990er Jahren, als Ingo Heilmann gerade an der North Carolina State University und an der Freien Universität Berlin promoviert wurde, erschienen die ersten wissenschaftlichen Arbeiten, die sich mit einer Klasse so genannter Signal-Lipide in Pflanzenzellen befassten.

Bislang kannte man diese wasserunlöslichen Membranbausteine nur aus tierischen Zellen. „Man wusste nicht, warum und wozu Pflanzen diese speziellen Lipide haben. Was war deren ursprüngliche Funktion in der Evolution und was machen die Pflanzen jetzt damit? Das hat mich interessiert“, erzählt der Professor.

Die besonderen Lipide, die er heute am Weinberg-Campus untersucht, machen nur ein halbes Prozent der Zellmembran einer Pflanze aus. „Wir messen am Limit dessen, was messbar ist.“ Mit Hilfe chemischer und physikalischer Methoden extrahieren Ingo Heilmann und seine Mitarbeiter Zellmaterial, um den genauen Anteil einzelner Zellbestandteile zu bestimmen. Aber am Lehrstuhl für Zelluläre Biochemie wird nicht nur gemessen und analysiert: In speziellen Wachstumskammern und im Gewächshaus ziehen die Forscher für ihre Experimente auch Pflanzenmutanten heran, die gezielt ausgewählte Defekte aufweisen. Oder sie verändern Pflanzen genetisch so, dass Signal-Lipide verstärkt gebildet werden oder bestimmte Proteine in der Pflanzenzelle zu Forschungszwecken fluoreszieren. Die Biochemiker nehmen die Pflanzen dann auch am Mikroskop unter die Lupe. Die Kombination aus genetischer Modifikation, mikroskopischer Betrachtung und den biochemischen Analysen führt zu besonderen Einblicken in die Funktion der Pflanzenzellen. Wie die meisten Biowissenschaftler forscht auch Ingo Heilmann an der Ackerschmalwand, lateinisch „Arabidopsis thaliana“ genannt. Sie war die erste Pflanze, die genetisch vollständig entschlüsselt wurde. Heute dient sie Wissenschaftlern weltweit als Modellorganismus, da viele Daten und genetische Ressourcen zu Arabidopsis frei verfügbar sind. Anhand der Ackerschmalwand will Heilmann herausfinden, wie gerichtetes Wachstum der Pflanzen gesteuert wird, welche chemischen Botenstoffe sich bereits vor dem Wachstum innerhalb der Zellen positionieren, und welche Rolle bestimmte Signal-Lipide dabei spielen.

„Wir messen am Limit dessen, was messbar ist.“

Bei den Signal-Lipiden, die er untersucht, handelt es sich nämlich um Membranbausteine, die sich scheinbar gezielt gerichtet an bestimmte Stellen der Zellmembran anlagern. „Die Zellmembran ist nicht so gleichmäßig beschaffen wie ein Luftballon. Es gibt dort Bereiche, in denen Lipide bestimmte Prozesse forcieren müssen. Wenn sich zum Beispiel eine Zelle teilt, passiert das entlang einer genau definierten Richtung. Damit die Zellteilung einwandfrei ablaufen kann, muss sich der gesamte Zellteilungsapparat räumlich korrekt ausrichten.“ Aber wer sagt der Pflanze, in welche Richtung sie wachsen soll? Heilmanns These: Die Lipide spielen eine entscheidende Rolle dabei. Bereits bei seinen früheren Forschungen in den Vereinigten Staaten und in Göttingen fand er durch Experimente heraus, dass die Lipide das Wachstum einer Pflanze beeinflussen. „Wir vermuteten schon damals, dass es zwischen den Lipiden und dem für die Pflanze wichtigen Wachstumshormon Auxin einen Zusammenhang geben muss. Mehr als zehn Jahre lang aber wussten wir nicht, wie dieser Zusammenhang konkret aussah“, so der Molekularbiologe.

Die Arbeit, die Heilmann im Dezember 2013 mit 17 weiteren Autoren in der Fachzeitschrift „The Plant Cell“ veröffentlichte, bringt Licht ins Dunkel: Die Forscher entdeckten die Beteiligung eines weiteren Faktors, über den Signal-Lipide auf die Steuerung des Pflanzenwachstums einwirken: in der Zellmembran steuern diese Lipide die Verteilung so genannter PIN-Proteine, die für die räumliche Verteilung des Wachstumshormons Auxin in pflanzlichen Geweben wichtig sind. Und nicht nur das: „Man nimmt inzwischen an, dass Hunderte von biologischen Prozessen von diesen Lipiden abhängen.“

Beide Prozesse sind evolutionär verwandt

Die Pflanzenzelle ist somit wieder ein Stück komplexer geworden – vor allem aber auch ein Stück faszinierender, findet Ingo Heilmann. Denn der entdeckte Wirkungsmechanismus zwischen Signal-Lipiden, PIN-Proteinen und dem Wachstumshormon Auxin ähnelt zum Beispiel jenen Prozessen in menschlichen Zellen, über die das Hormon Insulin die Verteilung von Zuckertransportern steuert, um eine Zuckeraufnahme in die Körperzellen zu bewirken. „Zwei ganz verschiedene Organismen nutzen sozusagen dasselbe Vehikel, um ihre ganz unterschiedlichen Zwecke zu erreichen. Beide Prozesse sind offenbar evolutionär verwandt!“ Derartige Parallelen über weite evolutionäre Distanzen können den Biochemiker begeistern.

Die Entdeckung wirft viele neue Forschungsfragen auf, denen er jetzt in Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsgruppen nachgeht. Grundlagenforscher arbeiten bereits jetzt weltweit mit den in „The Plant Cell“ veröffentlichten Ergebnissen und Materialien, um herauszufinden, was diese neuen Erkenntnisse im Zusammenhang ihrer eigenen Untersuchungen bedeuten. Auch für Ingo Heilmanns Kollegen am Sonderforschungsbereich (SFB) 648 sind die Ergebnisse ein weiterer wichtiger Baustein, um die komplexe Welt der Zelle besser zu verstehen.

Seit 2005 erforschen die Biowissenschaftler am SFB 648 die molekularen Mechanismen der Informationsverarbeitung in Pflanzen. Noch bis Ende des Jahres 2016 werden sie dabei in der dritten und letzten Phase mit sieben Millionen Euro durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft finanziert. Fast alle SFB-Arbeitsgruppen untersuchen, wie Pflanzen reagieren, wenn sie von Mikroorganismen befallen werden. „In Reaktion auf so einen Befall verstärken Pflanzen zum Beispiel die Zellwände oder senden bestimmte Gifte aus. Solche Prozessen sind wiederum eine Frage der genauen räumlichen Verteilung, für die unsere Entdeckung relevant sein kann“, erklärt Ingo Heilmann.

Corinna Bertz

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