Die Zelle, Die Nicht Da War

Kyoko Hagino ist Algenforscherin aus Kochi, Japan. Genau wie bei Jon Zehr begann auch ihre Geschichte Ende der 90er-Jahre mit einem Mikroorganismus, der ihren beruflichen Werdegang veränderte. Sie war Teil eines paläontologischen Forschungsteams, das winzige Algenfossilien auf dem Meeresboden untersuchte, um Informationen über das vergangene Klima der Erde zu gewinnen.

Unter den unzähligen mikroskopischen Fossilien, die sie untersuchte, gab es eines, das sie besonders faszinierte. Es handelte sich um eine Algenart namens Braarudosphaera bigelowii . Hagino nennt sie liebevoll einfach Bigelowii.

In bestimmten Lebensphasen umgibt sich Bigelowii mit diesem wunderschönen, geometrischen Gehäuse, und Hagino fand diese fünfeckigen Skelette in ihren Proben immer wieder. „Als ich Bigelowii zum ersten Mal sah, fand ich ihre Form wunderschön“, sagte sie. „Sie hat eine sehr schöne Form, wie ein Juwel.“

Doch niemand wusste wirklich etwas über die darin lebenden Algen. Genau das wollte Hagino erforschen. Aber niemand schien ihre Faszination zu teilen.

„Als ich mit der Recherche begann, hatte mein damaliger Chef Einwände“, sagte sie. „[Mir wurde gesagt:] Selbst wenn Sie solche Recherchen durchführen, die niemand liest, werden Sie damit keinen Job bekommen.“

Zu dieser Zeit hatte Hagino Schwierigkeiten, eine Stelle an einer Universität zu finden. Gleichzeitig kümmerte sie sich um ihre kleinen Kinder. Und sie zog in eine neue Stadt, wo ihr Mann Arbeit gefunden hatte. Alles in ihrem Leben schien ihr klar zu signalisieren, dass sie alles hinschmeißen und sich ein anderes Studienfach suchen sollte. Aber Hagino konnte das einfach nicht. Aus irgendeinem Grund faszinierte sie diese Alge ungemein, und sie wollte alles darüber lernen. Selbst wenn das bedeutete, sie im Selbststudium zu erforschen.

So begannen Hagino und ihre Tochter, Ausflüge zum Strand zu unternehmen und Meerwasserproben zu sammeln, in der Hoffnung, diese schwer fassbare Alge zu finden. Im Laufe der Jahre unternahmen sie Hunderte solcher Ausflüge. Sie taten dies so oft, dass ihre Tochter tatsächlich nicht wusste, dass die Menschen auch aus anderen Gründen an den Strand gingen, zum Beispiel zum Schwimmen.

„‚Der Ozean – ist das nicht der richtige Ort, um Meerwasser zu sammeln?‘“, erinnerte sich Hagino an die Worte ihrer Tochter.

Hagino verbrachte dann Stunden zu Hause mit dem Mikroskop, suchte nach Bigelowii-Zellen und sortierte sie einzeln aus, sobald sie welche fand. Das war unglaublich zeitaufwendig, aber praktisch die einzige Möglichkeit, sie zu untersuchen. Egal, was sie versuchte, die Zellen wollten einfach nicht im Reagenzglas wachsen.

Jahrelang arbeitete Hagino ohne jegliches Universitätsgehalt an der Entwicklung einer Kultur. Um ihren Lebensunterhalt zu verdienen, nahm sie schließlich einen Nebenjob an, bei dem sie Reagenzgläser in einem Labor reinigte. Eines Tages unterhielt sie sich mit einem der dortigen Wissenschaftler, und er schlug ihr vor, ihrer Kultur eine ungewöhnliche Zutat hinzuzufügen. Es handelte sich weder um eine Chemikalie noch um etwas anderes, was man üblicherweise im Labor findet. Es war Tokoroten, eine traditionelle japanische Gelee-Nudel aus Algen.

Zu Haginos Erstaunen waren die Nudeln genau das, was Bigelowii brauchte.

„Ich sah Bigelowii schwimmen und ihre Zahl nahm zu“, sagte sie. „Ich war überglücklich.“

Nachdem sie nun eine Kultur angelegt hatte, konnte sie endlich genügend Zellen züchten, um einige der wichtigsten Fragen zu diesem Organismus zu beantworten. Und eine Frage beschäftigte Hagino besonders. Im Laufe ihrer jahrelangen Studien an Bigelowii war ihr etwas Merkwürdiges aufgefallen. Die Alge besaß alle normalen Bestandteile einer Algenzelle. Doch sie hatte auch etwas, das sie sich nicht erklären konnte – etwas, das sie in keinem Lehrbuch gesehen hatte: einen schwarzen Punkt im Zentrum der Alge.

Hagino wollte gerade eine Arbeit über diesen mysteriösen Punkt veröffentlichen, als sie auf einen Artikel stieß, der soeben in der amerikanischen Fachzeitschrift Science erschienen war. Darin wurde die Suche nach einem scheinbar unsichtbaren, stickstofffixierenden Bakterium beschrieben, das nach der Theorie des Autors wahrscheinlich in einer Algenart lebt. Der Autor des Artikels war Jon Zehr, und er sprach von Braarudosphaera bigelowii .

Hagino dachte über das seltsame Objekt nach, das sie in Bigelowii entdeckt hatte. Die Puzzleteile passten zusammen. Sie führte einen Gentest an Bigelowii durch, und das Ergebnis war positiv: Sie hatte die stickstofffixierenden Bakterien gefunden, nach denen Zehr so ​​viele Jahre gesucht hatte.

„Ich hätte nie gedacht, dass jemand Forschungen über Bigelowii betreibt“, sagte sie. „Ich war schockiert, als ich erfuhr, dass ich überholt worden war.“

Zehr war ebenfalls überrascht, als Hagino sich bei ihm meldete, um ihm von ihrer Entdeckung zu berichten – es handelte sich um dasselbe Puzzle, an dem sie von einem anderen Ozean entfernt gearbeitet hatten. „Keiner von uns wusste, dass die beiden Dinge zusammengehörten!“, sagte er.

Hagino und Zehr hatten ihr Berufsleben der Lösung eines wissenschaftlichen Rätsels gewidmet, ohne zu ahnen, dass jeder von ihnen das fehlende Puzzleteil des anderen in Händen hielt. Nun, da sie eine gemeinsame Kultur geschaffen hatten, bot sich ihnen die Chance, ein Geheimnis zu lüften, das sich als vielschichtiger erweisen sollte, als sie es sich je hätten vorstellen können.

Gemeinsam würden sie ein Maß an Kooperation offenbaren, das eine fundamentale Regel der Biologie neu schreiben würde.

Die Natur ist voller symbiotischer Beziehungen: Zwei Organismen helfen einander. Der Clownfisch aus „Findet Nemo“ ist ein gutes Beispiel dafür – er kümmert sich um seine Seeanemonenpartnerin und erhält im Gegenzug einen sicheren Lebensraum. Doch diese hilfreichen Beziehungen können immer enger werden. Es gibt Organismen, die in anderen Organismen leben, wie Korallen , die sich von den in ihnen lebenden Zooxanthellen-Algen ernähren. Und es gibt sogar Zellen, die in anderen Zellen leben. Ab einem gewissen Punkt wird die Beziehung so eng, dass man nicht mehr genau weiß, wo der eine Organismus aufhört und der andere beginnt.

Dass zwei Organismen verschmelzen – von getrennten Einheiten zu einem einzigen Organismus werden – ist ein faszinierendes Phänomen, das in der Geschichte des Lebens auf der Erde nur wenige Male erreicht wurde. Die beiden bekanntesten Beispiele sind die Mitochondrien, die Kraftwerke der Zellen, die in allen komplexen Lebensformen auf der Erde vorkommen, und die Chloroplasten, die Bestandteile von Pflanzenzellen, die mithilfe der Photosynthese Sonnenlicht und Kohlendioxid in Nahrung umwandeln. Beide Beispiele begannen als unabhängige Zellen, die sich im Laufe der Zeit so stark aneinander annäherten, dass sie zu Organellen wurden: kleinen Organen innerhalb anderer Zellen.

Doch wie verhielt es sich mit Bigelowii und seinen inneren Bakterien? Die enge Beziehung zwischen den beiden war unbestreitbar. Zehr und Hagino wollten unbedingt herausfinden, wie genau die beiden zusammenarbeiteten. Also taten sie sich zusammen. Sie schickte eine Kultur an Johns Labor und hoffte, im Laufe des Experiments nach Kalifornien reisen zu können.

Als die Kultur in Zehrs Büro eintraf, war er so begeistert, dass er ein Foto machte, um den Moment festzuhalten. Sein Team diskutierte anschließend, welche Experimente sie zuerst durchführen sollten.

„Wir saßen im Labor zusammen und legten die zehn Dinge fest, die wir zuerst tun wollten, weil wir nicht wussten, wie lange die Kultur überleben würde“, sagte er. „Und innerhalb von drei Tagen begann der Covid-Lockdown.“

Die Pandemie durchkreuzte all ihre Pläne. Japan verhängte strenge Reisebeschränkungen, die jahrelang in Kraft blieben. Trotz all ihrer harten Arbeit konnte Hagino Zehr nicht persönlich besuchen. Doch die beiden waren weiterhin auf der Suche nach Antworten und beschlossen, dass Zehrs Labor die Tests fortsetzen sollte. Hagino, die über Fördermittel aus einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit Zehr verfügte, wollte aus der Ferne so gut wie möglich helfen.

Und schon bald fanden sie Hinweise darauf, dass die Beziehung zwischen den Algen und den Bakterien keine gewöhnliche Symbiose war. Bigelowii und die Bakterien teilten sich stets gleichzeitig. Sie wuchsen auch im gleichen Tempo und auf eine Weise, die Mitochondrien oder Chloroplasten sehr ähnlich sah.

Das überzeugendste Indiz lieferte jedoch Tyler Coale, ein Postdoktorand in Zehrs Labor. Er untersuchte die Proteine ​​in den beiden Organismen und bemerkte dabei etwas Merkwürdiges: Die Bakterien waren voller Proteine, für deren Herstellung ihnen die Gene fehlten. Stattdessen wurden diese Proteine ​​von zusätzlichen Genen in Bigelowii produziert. Und an den Enden jedes dieser zusätzlichen Gene fand sich immer wieder dieselbe kurze DNA-Sequenz.

Dieses Muster erinnerte Coale an ein früheres Rätsel: Stickstofffixierende Bakterien, die auf unerklärliche Weise viele Gene für lebensnotwendige Proteine ​​verloren hatten. Könnte Bigelowii diese stattdessen bereitstellen? Um das herauszufinden, führte er ein Experiment durch, bei dem er die fehlenden Gene des einen Organismus mit den zusätzlichen Genen des anderen verglich. Die Übereinstimmung war verblüffend. Für fast jedes Gen, das die Bakterien verloren hatten, hatte Bigelowii eine zusätzliche Kopie entwickelt. Und jedes dieser zusätzlichen Gene trug am Ende dieselbe DNA-Sequenz – eine Art molekulare Transportanleitung, um das Protein zu den Bakterien zu befördern.

Diese Entdeckung war bahnbrechend, denn ein solches System war zuvor nur wenige Male in Mitochondrien und Chloroplasten beobachtet worden, und nun auch nicht in dem winzigen Punkt, den Zehr und Hagino in Bigelowii gefunden hatten. Die stickstofffixierenden Bakterien waren keine Bakterien mehr. Sie waren Teil von Bigelowii geworden, ein eigenständiger Mikroorganismus, der sich in ein Organell verwandelt hatte.

Zehr und sein Team beschlossen, es Nitroplast zu nennen.

Das bedeutete auch, dass Bigelowii die grundlegende Regel gebrochen hatte, dass nur einfache Organismen wie Bakterien Stickstoff aus der Luft aufnehmen können. Die Algen sind die ersten bekannten Organismen auf der komplexen Seite des Lebensbaums, die Stickstoff aus der Luft binden können.

Auch wenn es noch zu früh für endgültige Aussagen ist, meint Coale, die Entdeckung könne weitreichende Folgen für Branchen wie die Landwirtschaft haben. „Dieser Organismus hat geschafft, was der Biotechnologie jahrzehntelang nicht gelungen ist, nicht wahr? Er hat diese Fähigkeit in die Zelle integriert. Es liegt nahe, dass wir daraus wichtige Erkenntnisse gewinnen können“, sagte er.

Zehr ist zwar vorsichtig optimistisch, glaubt aber, dass selbstbefruchtende Pflanzen noch in weiter Ferne liegen. „Das Problem ist, dass es sehr schwierig ist, von unserem Wissen über Nitroplaste auf die Entwicklung einer Pflanze zu gelangen“, sagte er. „Aber wer nicht einen Schritt wagt, wird auch keine hundert Schritte machen.“

Zehr und Hagino sind gespannt, wohin ihre Forschung sie als Nächstes führen wird. Doch für sie ging es nie wirklich darum, die Welt zu verändern. Sie haben ihr Berufsleben damit verbracht, ihre kleinen Puzzleteile zu erforschen, ohne zu wissen, was sie entdecken würden, aber in der Hoffnung, dass ihre Erkenntnisse ihnen mehr über die Funktionsweise der Natur lehren könnten.

Und auch in dieser Hinsicht gibt es noch so viel mehr zu lernen.

„Diese Erfahrung hat gezeigt, dass wir nicht wissen, welche Forschung wann nützlich sein wird“, sagte Hagino.

„Manche der größten Fortschritte ergeben sich aus Dingen, mit denen man nicht gerechnet hat“, sagte Zehr. „Und das könnte hier so ein Fall sein.“