Unabhängige Ursprünge des Froschleims und seine Rolle bei der Flucht vor Raubtieren

Von der Haut abgesonderte Klebstoffe oder Leime sind hochwirksame Abwehrmechanismen, die sich bei einer kleinen Anzahl von Amphibien wiederholt entwickelt haben. Aus ökologischer Sicht behindert dieses sich schnell verfestigende Material – im Wesentlichen ein klebriger Schleim – den Räuber lange genug, damit seine potenzielle Beute entkommen kann.

Aber was macht manche Hautsekrete klebriger als andere und warum ist diese Eigenschaft im Laufe der Evolutionsgeschichte der Amphibien mehrfach entstanden?

Klebstoffe in der Natur: Uralte Überlebenswerkzeuge

Es lässt sich nicht leugnen, dass Materialien, die uns helfen, Dinge an anderen Dingen festzukleben – nämlich Klebstoff – allgegenwärtig sind. An jedem beliebigen Tag greifen Sie vielleicht zu einem Stapel Haftnotizen oder einer universell zuverlässigen Rolle Klebeband. Aber wie steht es mit Klebstoff bei anderen, weniger geschickten Tieren? Wofür wird er verwendet und wie funktioniert er?

Bevor wir fortfahren, klären wir, was genau mit „Tierleim“ gemeint ist. Im Zusammenhang mit kleberproduzierenden Organismen werden die Materialien, auf die ich mich beziehe, als „biologische Klebstoffe“ bezeichnet. Dabei handelt es sich um natürlich abgesonderte Materialien, die in einer Vielzahl von Arten vorkommen und von denen viele lebenswichtige Funktionen erfüllen, die für das Überleben des jeweiligen Organismus notwendig sind.

Die möglichen Einsatzmöglichkeiten dieser Klebstoffe sind so vielfältig wie die Tiere, die sie produzieren. Sie umfassen unter anderem die Befestigung am Untergrund (typisch für sesshafte Meeresorganismen wie Muscheln, Seepocken und Röhrenwürmer), die Fortbewegung (Seesterne bewegen sich damit über den Meeresboden) und den Beutefang (am leichtesten erkennbar an Spinnenseide).

Tatsächlich spiegelt sich die enorme Nützlichkeit und Anpassungsfähigkeit von Klebstoffen in seiner breiten taxonomischen Verbreitung wider, die sich über mehrere im Altertum auseinandergehende Linien erstreckt.

Eines ist Ihnen vielleicht aufgefallen: Alle Tiere, die ich bisher beschrieben habe, sind wirbellose Tiere. Was ist mit Arten, die uns ein wenig näher kommen – beispielsweise ein Tetrapoden-Kollege?

Sollten Sie jemals in der Gesellschaft von Herpetologen sein, brauchen Sie nur die Wörter „klebrig“ und „Frosch“ in den Mund zu nehmen, und Sie werden unweigerlich von dem einen Mal hören, als ein wildes Exemplar dem Täter riesige Mengen Schleim über die Hände schmierte.

Dieser Schleim nahm rasch die Eigenschaften von Sekundenkleber an: Die Hände klebten zusammen, der Frosch klebte an den Händen – alles in allem eine sehr klebrige Situation. Dies mag nur eine anekdotische Evidenz sein, aber wenn man in der Literatur sucht, findet man nur wenige Erwähnungen dieses relativ obskuren Phänomens. Das macht die Geschichten jedoch nicht weniger wahr.

Die wunderbare Welt des Froschleims: ein heikles Thema. Entdecken Sie in weniger als drei Minuten, was diese Verteidigungsstrategie so bemerkenswert macht. Bildnachweis: Science Figured Out

Wie Frösche Klebstoff als Verteidigungsstrategie nutzen

Die von der Haut abgesonderten Chemikalien stellen bei Amphibien die am weitesten verbreitete Anpassung an Raubtiere dar. Bei einer kleinen Anzahl von Amphibien tritt dieser Mechanismus in Form von Klebstoff auf. Bei Stress scheidet das Amphibium eine viskose Flüssigkeit aus seinem Rücken aus, die schnell zu einer klebrigen Masse (also Klebstoff) erstarrt.

Dieser Klebstoff fungiert als wirksame Verteidigungswaffe und macht das angreifende Raubtier – häufig eine Schlange – kampfunfähig, indem er dessen Maul verstopft und das Schlucken unmöglich macht. Der energetische Aufwand, diese Klebrigkeit zu überwinden, wird schließlich zu hoch, sodass das Raubtier aufgeben und das Amphibium freigeben muss.

Während toxische Hautabsonderungen (also Gifte) schon lange im Fokus der meisten biochemischen Untersuchungen stehen, ist die Forschung zu Leim nach wie vor spärlich und oberflächlich. Ein möglicher Grund für diese Diskrepanz könnte die Tatsache sein, dass Leim bei Fröschen ein seltenes Merkmal ist und nur sporadisch bei Arten auftaucht, die – auf einer evolutionären Zeitskala – entfernt verwandt sind.

Obwohl Froschleim überall auf der Welt entdeckt wurde, ist sein Fehlen bei den meisten Arten (und besonders bei nahen Verwandten) auffällig. Ein leimproduzierender Frosch in Madagaskar teilt sich die Insel beispielsweise nicht mit leimproduzierenden Amphibien anderer Abstammungslinien.

Stattdessen können ähnliche klebrige Absonderungen auch bei Fröschen gefunden werden, deren Verbreitungsgebiet sich beispielsweise auf Australien oder Südamerika beschränkt.

Damit kommen wir zum Kern meiner Studie veröffentlicht In Naturkommunikation : Wie genau kam es zur Entwicklung von Klebstoff als Abwehrmechanismus nur bei einigen Fröschen, bei anderen jedoch nicht?

Und nebenbei: Hat Froschleim etwas mit dem Klebeband gemeinsam, das Sie zu Hause haben?

Der Bindungsprozess: Von interdisziplinär zu intermolekular

Um diese Fragen zu beantworten, untersuchte ich den Klebstoff einer in Madagaskar heimischen Art: des Tomatenfrosches Dyscophus guineti. Gemeinsam mit mehreren kooperierenden Forschungseinrichtungen führte ich funktionelle, molekulare und evolutionäre Analysen durch, um herauszufinden, was genau den Klebstoff des Frosches haften lässt.

Zu diesem Zweck habe ich zwei Proteine ​​identifiziert, die nachweislich innerhalb des Klebstoffmilieus interagieren, um dessen Kleb- und Kohäsionskraft aufrechtzuerhalten. Das eine ist ein großes Glykoprotein (mit freundlicher Genehmigung meines Betreuers geschickt mit dem Akronym PRIT versehen), das vermutlich eine kleberspezifische Funktion hat und Duplikate einer evolutionär konservierten Domäne enthält, die auch in vielen extrazellulären Metazoenproteinen vorhanden ist.

Das zweite, viel kleinere Protein ist ein Glykan-bindendes Mitglied einer weit verbreiteten Proteinfamilie namens Galectin. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit früheren Berichten über die Bedeutung sowohl von Glykoproteinen als auch von Glykan-bindenden Proteinen in anderen tierischen Klebstoffen, obwohl ihre Wechselwirkungen und ihr wahrscheinlicher Wirkungsmechanismus bis vor kurzem ungeklärt waren.

Strukturmodelle sagten voraus, dass die konservierten Domänen innerhalb von PRIT zwar gut definiert sind, die dazwischenliegenden Regionen jedoch strukturell heterogen sind. Dies steht im Gegensatz zu den meisten (nicht haftenden) Proteinen, die starre und definierte Strukturen aufweisen, während die strukturelle Dynamik von PRIT es hochflexibel macht.

In der Praxis bedeutet dies, dass sich Froschleim an jede Oberfläche anpassen kann, mit der er in Kontakt kommt – zum Beispiel an die Mundschleimhaut einer Schlange. Der Übergang von einem zähflüssigen Schleim zu einem zähen, schnell wirkenden Klebstoff erfolgt, wenn Druck ausgeübt wird, etwa durch den Biss eines Raubtiers.

Um auf unsere vorherige Frage zurückzukommen: Was haben das einfache Klebeband und der Froschleim gemeinsam? Sie sind beide druckempfindlich, was bedeutet, dass Druckkraft erforderlich ist, um ihre Klebkraft vollständig zu „aktivieren“.

Ein Rezept für wiederkehrende Entwicklung: Wiederverwenden, recyceln, neu entwickeln

Nachdem ich die Leimproteine ​​identifiziert hatte, konnte ich endlich beginnen, die genetischen und strukturellen Veränderungen zu untersuchen, die zu ihrer Evolution in entfernt verwandten Linien geführt hatten. Wie oben erwähnt, ist keines der Proteine ​​einzigartig für D. guineti oder sogar Frösche im Allgemeinen. Tatsächlich sind die Proteindomänen, die im Froschleim gefunden werden, bei allen Tieren vorhanden, auch beim Menschen.

Die spezifische Architektur des Gens, das PRIT kodiert, beinhaltet jedoch eine Abweichung, die sich bei einem frühen Amphibienvorfahren entwickelte. Mit anderen Worten: Leimgene entwickelten sich vor dem Leim selbst.

Interessanterweise kodiert auch eine zweite Klebstoff produzierende Art (der Mosambik-Regenfrosch, Breviceps mossambicus) ein PRIT-Gen. Dyscophus und Breviceps haben sich vor etwa 100 Millionen Jahren getrennt und gehören zu unterschiedlichen Radiationen von Fröschen (Microhylidae bzw. Afrobatrachia).

Andere Vertreter dieser Linien produzieren nicht klebende Toxine, die nachweislich in der frühen Evolutionsphase der Frösche entstanden sind. Somit besteht kaum Zweifel daran, dass (1) Dyscophus und Breviceps beide von einem giftigen Vorfahren abstammen und (2) sich ihre Hautsekrete unabhängig voneinander zu Klebstoffen entwickelten.

Neben strukturellen Veränderungen wurde eine veränderte Genexpression als entscheidender Faktor für die wiederkehrende Evolution des Leims identifiziert: PRITs und Galectine weisen in beiden Leim produzierenden Spezies das gleiche Muster erhöhter Expression auf, woraus man schließen kann, dass auch regulatorische Veränderungen zur parallelen Evolution des Frosch-Leims beigetragen haben.

Im Gegensatz zu anderen Klebstoff produzierenden Tieren, von denen jedes eine einzigartige Methode der Haftung entwickelte, haben stark divergierende Froschlinien wiederholt dieselben bereits vorhandenen Gene rekrutiert, indem sie einfach deren Expression verstärkten.

Der Froschleim stellt daher die Kulmination vorangegangener Evolutionsprozesse dar, bei denen es zu wiederkehrenden Struktur- und Regulierungsänderungen kam, die auf einer alten und nahezu universellen Vorlage beruhten.

Vom Waldboden bis zum Operationstisch: Die Zukunft der Biomimetik

Meine jüngste Arbeit stellt die erste detaillierte Analyse eines Abwehrklebers von Wirbeltieren dar. Damit vertieft sie unser Verständnis dieser ungewöhnlichen Anpassungen und öffnet gleichzeitig die Tür für die Entwicklung neuer, schnell wirkender Klebstofftechnologien.

Die Wirksamkeit von Tierschleim als chirurgisches Dichtungsmittel konnte bereits mit Hilfe von Schneckenabwehrkleber nachgewiesen werden. Nun wissen wir beispielsweise auch, wie dieser Kleber bei Wirbeltieren funktioniert. Dafür steht ein Modell zur Verfügung, das möglicherweise biologische Kleber aus phylogenetisch unterschiedlichen Quellen einschließt.

Bleiben Sie dran: Schon bald könnten Derivate des Froschleims in der Chirurgie ebenso wichtig und alltäglich sein wie heute das Klebeband in unseren Haushalten.

Diese Geschichte ist Teil von Science X Dialogwo Forscher Ergebnisse aus ihren veröffentlichten Forschungsartikeln melden können. Besuchen Sie diese Seite für Informationen zum Science X Dialog und zur Teilnahme.

Von den molekularen bis hin zu den majestätischsten biologischen Wundern war Shabnam Zaman schon immer bestrebt, das „Warum“ hinter dem Wunderlichen zu verstehen. So kam sie als Doktorandin zum Amphibian Evolution Lab (Vrije Universiteit Brussel, Belgien) mit der Mission, ein seltsames, aber wenig bekanntes Phänomen zu untersuchen: Froschleim. Gemeinsam mit ihrem treuen Begleiter Bob, dem Tomatenfrosch, sind sie auf der Suche nach dem Rätsel, was diese Lebewesen so unglaublich klebrig macht.