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Forschung

Evolution der eukaryotischen Zellen ist durch die Entwicklung von Zellkompartimenten gekennzeichnet.

Ein wichtiger Schritt in der zellulären Evolution war die Entwicklung von membranumgrenzten Kompartimenten, wie sie heute in eukaryotischen Zellen in vielfältiger Form zu finden sind. Die Kompartimentierung des Zelllumens erlaubt eukaryotischen Zellen unter anderem die Reaktionsbedingungen für bestimmte Enzyme zu optimieren (z. Bsp. pH-Wert und Ionenkonzentration) und gegenläufige Reaktionen voneinander getrennt in einer Zelle gleichzeitig ablaufen zu lassen. Die Etablierung von Kompartimenten in der Evolution aus Invaginationen der Zellmembran oder durch die Aufnahme von Endosymbionten trug somit entscheidend zur Leistungssteigerung der eukaryotischen Zelle bei.

Zellkompartimente haben eine spezifische Ultrastruktur, Form und Dynamik.

Obwohl schon seit den frühen Tagen der Mikroskopie bekannt ist, dass besonders Pflanzenzellen eine ausgeprägte innere Dynamik aufweisen, ist es in vielen Geweben schwierig bestimmte Kompartimente selektiv zu beobachten. Erst durch die Adaptierung von Fluoreszenzproteinen als spezifische Marker für Zellkompartimente ist es möglich geworden die Dynamik von bestimmten Kompartimenten in lebenden Zellen zu beobachten. Seit dem Einsatz solcher "Markerproteine" und moderner Fluoreszenzmikroskope wird immer deutlicher, dass sich die Spezialisierung von Zellkompartimenten auch in ihrer Dynamik und Formveränderung widerspiegelt und diese sich als Reaktion auf Umwelteinflüsse ändern können. Zusätzlich wissen wir dank der Transmissionselektronenmikroskopie, dass sich die verschiedenen Kompartimente neben ihrer speziellen enzymatischen und stofflichen Ausstattung auch durch eine zum Teil sehr spezifische äußere Form und innere Struktur auszeichnen.

Unterstützen Form und Dynamik die Funktion von Kompartimenten?

Obwohl es offensichtlich erscheint, dass die Form und die Dynamik von Kompartimenten in einem Zusammenhang mit Ihrer Funktionsweise stehen, ist bis heute nichts oder nur sehr wenig darüber bekannt, ob und wie diese die Organellfunktion unterstützen. Hinweise, dass es in der Tat einen solchen Zusammenhang gibt, bieten Modellrechnungen, die zeigen, dass beobachtete Formveränderungen von Organellen entscheidend die in Ihnen ablaufenden Vorgänge zu beeinflussen vermögen. Dies, so wird postuliert, kann somit die Funktionalität des Organells potentiell mitbestimmen.

Obwohl mehr und mehr Studien induzierte Formveränderungen von Zellkompartimenten als Reaktion auf verschiedene Stimuli beschreiben, ist die Grundlage für die entsprechende Reizaufnahme und die Umsetzung in Formveränderung noch weitestgehend unbekannt.

Zentrale Fragen

Ziel unserer Arbeit ist es zu verstehen wie und warum sich die Form und die räumliche Verteilung von Kompartimenten als Antwort auf äußere (Umwelt-) und innere (Entwicklungs-) Reize verändern. Es ergeben sich folgende Fragen:

  1. In welchem Maße beeinflusst die Form eines Organells seine Funktion und Interaktion mit seiner unmittelbaren zellulären Umwelt?
  2. Welche genetischen Elemente liegen diesen Formveränderungen regulativ und strukturell zu Grunde?

Plastiden sind in ihrer Morphologie sehr flexibel.

Die eine pflanzliche Zelle charakterisierenden Plastiden nehmen aus vielerlei Hinsicht eine besondere Stellung ein und zeichnen sich nicht nur durch eine hohe funktionelle sondern auch durch eine hohe morphologische Plastizität aus. Trotz der morphologischen und physiologischen sehr unterschiedlichen Ausdifferenzierungsformen besitzen alle Formen der Plastiden die Fähigkeit zum Teil mehrere µm lange tubulären Ausstülpungen aus ihren Hüllmembranen zu formen. Dass diese oft als sehr dynamisch beschriebenen Membranröhren wahrscheinlich eine fundamentale Funktion für die Plastiden haben, deutet sich durch ihre weite Verbreitung in den unterschiedlichsten taxonomischen Gruppen der "grünen Pflanzen" (Viridilantae) an.

"Stromules" sind ein ungelöstes Rätsel und geeignetes Modelsystem.

Was ist ein Stromuli?

Was ist ein Stromuli?

Was ist ein Stromuli?

Diese durch eine Gruppe von Authoren in einem Artikel aus dem Jahr 2000 als "stromules" benannten Membranröhren wurden bereits vor über einhundert Jahren mittels Durchlichtmikroskopen beobachtet. Obwohl sie seit dem in regelmäßigen Abständen die Aufmerksamkeit einzelner Zellbiologen auf sich gezogen haben, ist kaum etwas über ihre genetischen Grundlagen und ihre Funktion bekannt. Größere Aufmerksamkeit erfahren sie erst seit dem die Möglichkeit besteht diese Strukturen durch Fluoreszenzproteine zu markieren.

Unsere eigenen Arbeiten und Arbeiten anderer Arbeitsgruppen zeigen, dass Applikation von verschiedenen Stressbedingungen die Bildung von "stromules" induzieren können. Dies macht "stromules" zu einem interessanten System, um den Zusammenhang zwischen Organellform, Organellfunktion und der Regulation der Formveränderung zu untersuchen.

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