Die ersten Zellen mit Zellkern entstanden wahrscheinlich aus einer Symbiose von Archaeen und Bakterien. In mikrobiellen Gemeinschaften in Australien haben Forschende nun ein zuvor unbekanntes Archaeon entdeckt, das in engem Austausch mit einem Bakterium lebt. Die Interaktionen eröffnen neue Einblicke, wie die Grundlagen des komplexen Lebens vor mehr als zwei Milliarden Jahren entstanden sein könnten.
Menschen, Tiere, Pflanzen und Pilze bestehen alle aus Zellen mit Zellkern, sogenannten Eukaryoten. Entstanden sind diese Zellen, die die Grundlage allen komplexen Lebens bilden, vor rund zwei Milliarden Jahren. „Es wird angenommen, dass Eukaryoten das Ergebnis einer Verschmelzung einer ursprünglichen archäischen Wirtszelle und eines endosymbiotischen Bakteriums sind“, erklärt ein Team um Stephanie-Jane Nobs von der University of New South Wales in Sydney. Aus den in die Archaeenzelle aufgenommenen Bakterien entwickelten sich demnach die Mitochondrien, die Kraftwerke der Zellen.
Urahn der Eukaryoten
„Worum genau es sich bei der Wirtszelle handelte, galt lange Zeit als eines der größten Rätsel der Evolutionsbiologie, doch immer mehr Hinweise deuten darauf hin, dass es sich um sogenannte Asgard-Archaeen handelte“, erläutern Nobs und ihre Kollegen. Diese zuerst an hydrothermalen Schloten der Tiefsee entdeckten Mikroben sind am nächsten mit Eukaryoten verwandt und besitzen schon viele der für diesen zellkerntragenden Zelltyp typischen Gene. Da sie im Labor jedoch schwierig zu kultivieren sind, ließen sich die Prozesse, die zur Entstehung von Zellen mit Zellkern geführt haben könnten, bisher kaum nachvollziehen.
Doch nun haben Nobs und ihr Team eine neue Art von Asgard-Archaeen identifiziert und nach jahrelangen Versuchen erfolgreich kultiviert. Entdeckt haben sie die neue Art, der sie den Namen Nerearchaeum marumarumayae gaben, in mikrobiellen Matten in der westaustralischen Meeresbucht Shark Bay. „Mikrobielle Matten sind dicke, geschichtete Biofilme, in denen verschiedene Organismen miteinander interagieren und Stoffe austauschen, um Energie und Nährstoffe zu gewinnen, wobei sie für ihr Überleben unverzichtbare metabolische Wechselbeziehungen entwickeln“, erklärt das Forschungsteam. Vor 2,5 bis 0,5 Milliarden Jahren waren solche Matten weit verbreitet und bildeten wahrscheinlich wichtige Zentren der Evolution. Heute kommen sie nur noch in Umgebungen vor, in denen sie wenig von Eukaryoten gestört werden – unter anderem in dem sehr salzhaltigen flachen Wasser von Shark Bay.
Symbiose zwischen Archaeon und Bakterium
Alle Versuche, N. marumarumayae isoliert zu kultivieren, scheiterten. „Die Tatsache, dass wir diese Organismen nie in Reinkultur bringen konnten, liegt wahrscheinlich daran, dass sie zum Überleben immer auf andere Organismen angewiesen sind“, sagt Nobs Kollege Brendan Burns. Doch mit hochauflösender Elektronen-Kryotomographie identifizierten die Forschenden den Partner des neu entdeckten Asgard-Archaeons: ein Bakterium namens Stromatodesulfovibrio nilemahensis. Gemeinsam konnten sie die beiden Mikroorganismen kultivieren und ihre Interaktionen genauer untersuchen.
Wie das Team mithilfe elektronenmikroskopischer Beobachtungen und genetischer Analysen herausfand, tauschen Archaeon und Bakterium rege lebenswichtige Stoffe miteinander aus. N. marumarumayae produziert Wasserstoff, Acetat, Formiat und Sulfit, während das Bakterium Aminosäuren und Vitamine synthetisiert. Diese Substanzen werden durch Ketten aus Vesikeln sowie durch winzige Nanoröhrchen zwischen den beiden Partnern hin und her transportiert. „Diese Interaktionen könnten einen frühen Schritt in der symbiotischen Evolution eukaryotischer Zellen widerspiegeln“, schreiben Nobs und ihre Kollegen. Damit liefern Archaeon und Bakterium ein Modell dafür, wie sich vor zwei Milliarden Jahren komplexe Zellen aus einfachen mikrobiellen Lebensformen entwickelt haben könnten.
Quelle: Stephanie-Jane Nobs (University of New South Wales, Sydney, Australien) et al., Current Biology, doi: 10.1016/j.cub.2026.03.041
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