Wissenschaftlern ist es gelungen, eine wichtige genetische Komponente im Prozess der Biomineralisation, der biologischen Bildung anorganischer Materialien durch Organismen, zu identifizieren: Sie konnten aus dem Meeresschwamm Astroclera willeyana ein Protein isolieren, das hier als Enzym die Biomineralbildung steuert. Nahe Verwandte dieses Enzyms sind in anderen Organismen an zahlreichen grundlegenden Stoffwechselprozessen beteiligt.
Die Wissenschaftler sind in ihrer Studie von der Frage ausgegangen, ob die Fähigkeit zur Biomineralisation bei mehrzelligen Tieren, so genannten Metazoa, einen gemeinsamen Ursprung hat oder unabhängig voneinander bei verschiedenen Tierstämmen entstanden ist. Die Untersuchungen zeigen nun, so die Geobiologen in der Online-Ausgabe von „Science“, dass zumindest ein Teil des Biomineralisations-Apparates auf den letzten gemeinsamen Vorfahr der Metazoa zurückgeht.
Biominerale können stabile Materialien bilden, wie zum Beispiel Stützskelette bei Muscheln und Schnecken oder feste Riffstrukturen im Meer, und übernehmen wichtige Funktionen in marinen Ökosystemen. Solche mineralisierten Hartteile traten in der erdgeschichtlichen Entwicklung gehäuft vor rund 550 bis 520 Millionen Jahren im späten Präkambrium bis frühen Kambrium auf. Ihrer Existenz gehen einzellige Organismen voraus, die große Mengen Kalk absondern. Die genetischen Steuerungsmechanismen, durch die lebende Zellen mineralisierte Strukturen ausscheiden, waren bislang weitgehend unbekannt – ebenso wie deren evolutionärer Ursprung.
„Lebendes Fossil“ als Forschungsobjekt
Die Untersuchungen, die Wissenschaftler um Juniorprofessor Dr. Gert Wörheide von der Universität Göttingen zusammen mit Kollegen aus Brisbane/Australien durchführten, wurden an dem „lebenden Fossil“ Astrosclera willeyana vorgenommen. Diese Schwämme waren maßgeblich während früher Epochen der Erdgeschichte an riffbildenden Prozessen beteiligt.
„Weil Schwämme entwicklungsgeschichtlich an der Basis des Stammbaumes vielzelliger Tiere stehen und somit dem gemeinsamen Vorfahren der Metazoa nahestehen, eignen sie sich hervorragend, um ursprüngliche Biomineralisationsprozesse zu entschlüsseln“, erläutert Wörheide. Das Wissenschaftlerteam wählte dafür einen neuen Forschungsansatz. Ihre so genannten paläogenomischen Arbeiten basieren auf genetischen Techniken und Proteinexpression sowie stammesgeschichtlichen Rekonstruktionen.
Reaktionsfreudiges Enzym isoliert
Die Forscher isolierten aus A. willeyana das besonders reaktionsfreudige Enzym Astrosclerin. Dieses neue Enzym der alpha-Carboanhydrase-Familie ist ein wesentlicher Bestandteil des genetischen Baukastens im Prozess der Biomineralisation. Nahe Verwandte aus dieser Enzymfamilie sind an vielen grundlegenden Stoffwechselprozessen beteiligt. Das für die Produktion von Astrosclerin verantwortliche Gen muss dabei schon im letzten gemeinsamen Vorfahr der Metazoa vorhanden gewesen sein, wie die stammesgeschichtlichen Analysen zeigen.
„Als einzelne Kopie ist dieses wichtige Gen nachfolgend unabhängig in Schwämmen und anderen Tieren dupliziert worden. Damit wurde der Grundstein gelegt für die Vielfalt von physiologischen Prozessen, an denen das Enzym heute beteiligt ist“, so der Göttinger Geobiologe. Laut Wörheide sind die Materialien, die durch Biomineralisation entstehen, unter anderem als neue Werkstoffe und in der biotechnologischen Anwendung von Bedeutung.
(idw – Universität Göttingen, 15.06.2007 – DLO)
