Wie sich Rippenquallen an das Leben am Meeresgrund angepasst haben

Der Meeresboden ist nicht gerade einladend. Es gibt kein Licht, die Temperatur ist eiskalt und der Druck des Wassers darüber wird einen buchstäblich erdrücken. Die Tiere, die in dieser Tiefe leben, haben biophysikalische Anpassungen entwickelt, die es ihnen ermöglichen, unter diesen harten Bedingungen zu überleben. Was sind das für Anpassungen und wie haben sie sich entwickelt?

Itay Budin, Assistenzprofessor für Chemie und Biochemie an der University of California San Diego, hat sich mit Forschern aus dem ganzen Land zusammengetan, um die Zellmembranen von Rippenquallen zu untersuchen. Dabei stellten sie fest, dass sie einzigartige Lipidstrukturen besitzen, die es ihnen ermöglichen, unter enormem Druck zu überleben. Ihre Arbeit erscheint In Wissenschaft.

Anpassung an die Umgebung

Das Wichtigste zuerst: Obwohl Rippenquallen wie Quallen aussehen, sind sie nicht eng mit ihnen verwandt. Rippenquallen bilden den Stamm der Rippenquallen (ausgesprochen „Rippenquallen“). Sie sind Raubtiere, die so groß wie ein Volleyball werden können und in Ozeanen auf der ganzen Welt und in verschiedenen Tiefen leben, von der Oberfläche bis hinab in die Tiefsee.

Zellmembranen bestehen aus dünnen Schichten von Lipiden und Proteinen, die bestimmte Eigenschaften aufweisen müssen, damit Zellen richtig funktionieren. Obwohl man seit Jahrzehnten weiß, dass manche Organismen ihre Lipide angepasst haben, um bei extremer Kälte ihre Fließfähigkeit aufrechtzuerhalten (homöoviskose Anpassung), war nicht bekannt, wie sich Organismen in der Tiefsee an extremen Druck angepasst haben und ob die Anpassung an Druck die gleiche ist wie die Anpassung an Kälte.

Budin hatte die homöoviske Anpassung an E. coli-Bakterien untersucht, aber als Steven Haddock, leitender Wissenschaftler am Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI), fragte, ob Rippenquallen über die gleiche homöoviske Anpassung verfügten, um extremen Druck auszugleichen, war Budins Neugier geweckt.

Komplexe Organismen haben unterschiedliche Lipidarten. Der Mensch hat Tausende davon: Das Herz hat andere Lipide als die Lunge, die wiederum andere sind als die in der Haut usw. Sie haben auch unterschiedliche Formen; manche sind zylindrisch und manche kegelförmig.

Um zu beantworten, ob sich Rippenquallen über denselben Mechanismus an Kälte und Druck anpassen, musste das Team die Temperaturvariable kontrollieren. Jacob Winnikoff, der Hauptautor der Studie, der sowohl am MBARI als auch an der UC San Diego arbeitete, analysierte Rippenquallen, die in der gesamten nördlichen Hemisphäre gesammelt wurden, darunter solche, die auf dem Meeresboden in Kalifornien lebten (Kälte, hoher Druck) und solche von der Oberfläche des Arktischen Ozeans (Kälte, kein hoher Druck).

„Es stellt sich heraus, dass Rippenquallen einzigartige Lipidstrukturen entwickelt haben, um den intensiven Druck auszugleichen, die sich von denen unterscheiden, die große Kälte ausgleichen“, erklärte Budin, „und zwar so sehr, dass der Druck tatsächlich das ist, was ihre Zellmembranen zusammenhält.“

Die Forscher nennen diese Anpassung „Homöokurvatur“, weil sich die kurvenförmige Form der Lipide an den einzigartigen Lebensraum der Rippenquallen angepasst hat. In der Tiefsee haben sich die kegelförmigen Lipide zu übertriebenen Kegelformen entwickelt. Der Druck des Ozeans wirkt der Übertreibung entgegen, sodass die Lipidform normal ist, aber nur unter diesen extremen Drücken. Wenn Tiefsee-Rippenquallen an die Oberfläche gebracht werden, kehrt die übertriebene Kegelform zurück, die Membranen spalten sich und die Tiere zerfallen.

Die Moleküle mit der übertriebenen Kegelform sind eine Art Phospholipid namens Plasmalogene. Plasmalogene kommen im menschlichen Gehirn in großen Mengen vor und ihr Rückgang geht oft mit nachlassender Gehirnfunktion und sogar neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer einher. Das macht sie für Wissenschaftler und medizinische Forscher sehr interessant.

„Einer der Gründe, warum wir uns für die Erforschung von Rippenquallen entschieden haben, ist, dass ihr Fettstoffwechsel dem des Menschen ähnelt“, erklärte Budin. „Obwohl ich nicht überrascht war, Plasmalogene zu finden, war ich schockiert, als ich sah, dass sie bis zu drei Viertel der Fettmenge einer Tiefsee-Rippenqualle ausmachen.“

Um diese Entdeckung weiter zu testen, wandte sich das Team erneut dem E. coli-Stamm zu und führte zwei Experimente in Hochdruckkammern durch: eines mit unveränderten Bakterien und ein zweites mit Bakterien, die gentechnisch so verändert worden waren, dass sie Plasmalogene synthetisierten. Während der unveränderte E. coli-Stamm abstarb, gedieh der E. coli-Stamm, der Plasmalogene enthielt.

Diese Experimente wurden über mehrere Jahre hinweg mit Mitarbeitern aus verschiedenen Institutionen und Disziplinen durchgeführt. An der UC San Diego führte das Labor des angesehenen Professors für Chemie und Biochemie Edward Dennis neben Budin, dessen Gruppe die biophysikalischen und mikrobiologischen Experimente durchführte, eine Lipidanalyse mittels Massenspektrometrie durch. Meeresbiologen am MBARI sammelten Rippenquallen zum Studium, während Physiker an der University of Delaware Computersimulationen durchführten, um das Membranverhalten bei unterschiedlichen Drücken zu validieren.

Budin, der sich für die Untersuchung der Regulierung der Lipidproduktion durch Zellen interessiert, hofft, dass diese Entdeckung zu weiteren Untersuchungen über die Rolle der Plasmalogene bei der Gesundheit und bei Erkrankungen des Gehirns führen wird.

„Ich denke, die Forschung zeigt, dass Plasmalogene wirklich einzigartige biophysikalische Eigenschaften haben“, sagte er. „Die Frage ist nun, inwiefern diese Eigenschaften für die Funktion unserer eigenen Zellen wichtig sind. Ich denke, das ist eine wichtige Botschaft.“