Insider des Lebens: Endosymbiose mit Mathematik entschlüsseln

Endosymbiose, die enge und langfristige Beziehung, bei der ein Organismus in einem anderen lebt, ist ein Eckpfeiler des Lebens, wie wir es kennen, und ein Schlüssel zur Entstehung komplexen Lebens auf der Erde. Viele der Rätsel rund um die Endosymbiose lassen sich allein mit empirischen Ansätzen nur schwer lösen.

In einem aktueller Aufsatz veröffentlicht in PLOS-Biologiebeschreibt ein Forscherteam der Universität Umeå, wie mathematische Modelle die Endosymbioseforschung vorantreiben können.

Endosymbionten sind überall: In unseren Zellen erzeugen Mitochondrien den größten Teil unserer Energie, Pflanzen sind für die Photosynthese auf Chloroplasten angewiesen und viele Insekten können sich ohne ihre Endosymbionten nicht vermehren. Dies ist jedoch nur die Spitze des Eisbergs, wenn es um Endosymbiosen geht.

„Endosymbiotische Beziehungen sind unglaublich vielfältig und komplex. Neue Forschungen haben beispielsweise gezeigt, dass Endosymbionten bestimmen können, ob Embryonen erfolgreich gebildet werden können, und sogar die Embryonalentwicklung steuern können“, sagt Lucas Santana Souza, Postdoktorand an der Universität Umeå und Co-Autor des Buches Artikel in PLOS-Biologie.

Trotz ihrer Allgegenwart können Endosymbiosen schwierig zu untersuchen sein.

„Denken Sie an den Ursprung der Mitochondrien in unseren Zellen. Früher war es ein separater Organismus, aber durch eine Endosymbiose, die vor Hunderten von Millionen Jahren stattfand, wurde es zu einem entscheidenden Teil allen komplexen Lebens. Wir können dieses alte und jedoch nicht untersuchen.“ „Wir brauchen andere Wege, um ein seltenes Ereignis zu erkennen, indem wir es im Labor reproduzieren oder in der Zeit zurückgehen – und mathematische Modelle sind ein großartiges Werkzeug“, sagt Eric Libby, außerordentlicher Professor am Fachbereich Mathematik und Mathematische Statistik.

Mathematische Modelle können uns helfen zu verstehen, wie verschiedene Faktoren die Interaktionen zwischen Endosymbionten und ihren Wirten beeinflussen. Im Aufsatz zeigen die Autoren, wie diese Modelle Ideen generieren und die Forschung in der Praxis ergänzen können. Sie weisen auch auf wichtige Fragen für weitere Untersuchungen hin.

Ein Beispiel hierfür sind Korallen und ihre Endosymbionten, die derzeit von besonderer Bedeutung sind, da Korallenbleichen aufgrund zunehmender Hitzewellen weltweit zunehmen. Bei der Korallenbleiche stößt die Koralle ihre Endosymbionten aus und verliert ihre Fähigkeit, Nahrung zu erzeugen, was zu ihrem Tod führen kann.

Interessanterweise können Korallen ihre Endosymbionten auf solche umstellen, die ihre Widerstandsfähigkeit gegen Hitzewellen verbessern. Dies ist einer der Forschungsbereiche, an denen sich der Co-Autor der Studie, Adriano Bonforti, Postdoktorand an der Universität Umeå, am meisten interessiert.

„Das Rätsel besteht darin, zu verstehen, wann Korallen ihre endosymbiotische Gemeinschaft so verändern sollten, dass eine Art von Endosymbionten gegenüber den anderen dominant wird und dadurch die Reaktion der Koralle auf Stressfaktoren verändert. Mathematische Modelle können wahrscheinliche Gründe dafür vorschlagen, wann und wie Korallen wechseln sollten. Die Ergebnisse.“ „Die Entwicklung dieser theoretischen Ansätze kann dann als Leitfaden für die zukünftige experimentelle Forschung dienen“, sagt er.

Die Autoren plädieren auch für eine verstärkte Zusammenarbeit zwischen Endosymbioseforschern. Sie ziehen Parallelen zwischen endosymbiotischen Beziehungen und der Interaktion zwischen mathematischen Modellierern und Experimentatoren. Beide haben unterschiedliche Herangehensweisen und Hintergründe, aber das Ergebnis ihrer Zusammenarbeit könne ihrer Meinung nach enorm fruchtbar sein.

„Betrachten Sie Modellierer als nützliche Partner, die sich von den reichhaltigen empirischen Entdeckungen inspirieren lassen und interessante Fragen stellen. In diesem Zusammenhang leisten Modellierer ihren Beitrag, indem sie komplexe Konzepte vereinfachen, grundlegende Prozesse aufdecken und neue Wege für die Erforschung eröffnen. Mit diesem Aufsatz hoffen wir, weiterzuentwickeln.“ eine stärkere Brücke zwischen beiden Bereichen zu schlagen und fruchtbare Richtungen für die endosymbiotische Forschung aufzuzeigen“, sagt Lucas Santana Souza.