Es wurde festgestellt, dass Cyanobakterien, eine alte Abstammungslinie von Bakterien, die Photosynthese betreiben, ihre Gene nach dem gleichen physikalischen Prinzip regulieren, das auch bei der AM-Radioübertragung verwendet wird.
Neue Forschung veröffentlicht In Aktuelle Biologie hat herausgefunden, dass Cyanobakterien Variationen in der Amplitude (Stärke) eines Impulses nutzen, um Informationen in einzelnen Zellen zu übermitteln. Der Befund gibt Aufschluss darüber, wie biologische Rhythmen zusammenarbeiten, um zelluläre Prozesse zu regulieren.
Beim AM-Radio (Amplitudenmodulation) wird aus der Schwingung eines elektrischen Stroms eine Welle mit konstanter Stärke und Frequenz – eine sogenannte Trägerwelle – erzeugt. Das Audiosignal, das die zu übertragenden Informationen (z. B. Musik oder Sprache) enthält, wird der Trägerwelle überlagert. Dies geschieht durch Variation der Amplitude der Trägerwelle entsprechend der Frequenz des Audiosignals.
Das Forschungsteam unter der Leitung von Professor James Locke vom Sainsbury Laboratory der Cambridge University (SLCU) und Dr. Bruno Martins von der University of Warwick fand heraus, dass bei Cyanobakterien ein ähnlicher AM-Radio-ähnlicher Mechanismus am Werk ist.
Bei Cyanobakterien fungiert der Zellteilungszyklus, der Prozess, durch den eine Zelle wächst und sich in zwei neue Zellen teilt, als „Trägersignal“. Das modulierende Signal kommt dann von der 24-Stunden-Tagesuhr der Bakterien, die als interner Zeitmessmechanismus fungiert.
Dieser Befund beantwortet eine seit langem bestehende Frage in der Zellbiologie: Wie integrieren Zellen Signale von zwei oszillierenden Prozessen – dem Zellzyklus und dem zirkadianen Rhythmus –, die auf unterschiedlichen Frequenzen ablaufen? Bisher war unklar, wie diese beiden Zyklen koordiniert werden könnten.
Um das Rätsel zu lösen, nutzte das Forschungsteam Einzelzell-Zeitraffermikroskopie und mathematische Modellierung. Mit der Zeitraffermikroskopie verfolgten sie die Expression eines Proteins, des alternativen Sigmafaktors RpoD4. RPoD4 spielt eine wichtige Rolle bei der Initiierung der Transkription, also dem Prozess, bei dem genetische Informationen aus der DNA in RNA transkribiert werden.
Ein Zeitrafferfilm des S. elongatus WT-Stammes, der den Transkriptionsreporter PrpoD4-EYFP-LVA trägt. Kredit: Aktuelle Biologie (2024). DOI: 10.1016/j.cub.2024.10.047
Die Modellierung ermöglichte es den Forschern, Signalverarbeitungsmechanismen zu untersuchen und die Modellierungsergebnisse mit Mikroskopiedaten zu vergleichen. Das Team fand heraus, dass RpoD4 in Impulsen aktiviert wird, die nur bei der Zellteilung auftreten, was es zu einem idealen Kandidaten für die Verfolgung macht.
Hauptautor Dr. Chao Ye erklärte: „Wir haben herausgefunden, dass die zirkadiane Uhr vorgibt, wie stark diese Impulse im Laufe der Zeit sind. Mit dieser Strategie können Zellen Informationen über zwei Oszillationssignale in derselben Ausgabe kodieren: Informationen über den Zellzyklus in der Pulsfrequenz.“ und über die 24-Stunden-Uhr in der Pulsationsstärke. Dies ist das erste Mal, dass wir eine zirkadiane Uhr beobachten, die Pulsamplitudenmodulation nutzt, ein Konzept, das typischerweise mit der Kommunikationstechnologie in Verbindung gebracht wird, um biologische Funktionen zu steuern.
„Die Variation der Frequenz des Zellzyklus durch Umgebungslicht oder der zirkadianen Uhr durch genetische Mutationen bestätigte das zugrunde liegende Prinzip. Es ist beeindruckend, in der Natur Beispiele für das zu sehen, was wir manchmal als ‚unsere‘ technischen Regeln betrachten.“ sagte Mitautor Dr. Martins.
„Die Abstammungslinie der Cyanobakterien entwickelte sich vor 2,7 Milliarden Jahren und hat eine elegante Lösung für dieses Problem der Informationsverarbeitung.“
Professor Locke fügte hinzu: „Ein Grund, warum wir Cyanobakterien untersuchen, ist, dass sie die einfachste zirkadiane Uhr aller Organismen haben. Wenn wir sie also verstehen, legen wir die Grundlage, die wir brauchen, um Uhren in komplexeren Organismen wie Menschen und Nutzpflanzen zu verstehen.“
„Diese Prinzipien könnten umfassendere Auswirkungen auf die synthetische Biologie und Biotechnologie haben. Dies könnte uns beispielsweise dabei helfen, Nutzpflanzen zu entwickeln, die widerstandsfähiger gegenüber veränderten Umweltbedingungen sind, mit Auswirkungen auf die Landwirtschaft und Nachhaltigkeit.“
Weitere Informationen:
Chao Ye et al.: Die zirkadiane Uhr von Cyanobakterien koppelt sich mithilfe von Pulsamplitudenmodulation an pulsierende Prozesse. Aktuelle Biologie (2024). DOI: 10.1016/j.cub.2024.10.047