Planctomyceten sind keine Vorfahren der Eukaryoten

Die Gruppe der Planctomyceten nimmt innerhalb der Bakterien eine besondere Stellung ein. Ungewöhnliche zellbiologische Eigenschaften machten eine systematische Zuordnung lange Zeit schwierig. In Lehrbüchern werden sie bis heute häufig als fortgeschrittene Bakterien, sozusagen evolutiv auf dem Weg zu den höher entwickelten, komplexeren Zellen der Pflanzen und Tiere angesehen. Dr. Christian Jogler und Christian Boedecker vom Leibniz-Institut DSMZ konnten zusammen mit weiteren Wissenschaftlern nun nachweisen, dass Planctomyceten zwar besondere Merkmale haben, dennoch aber klassische Bakterien sind und kein Bindeglied zu den Eukaryoten.

Ungewöhnliche Zellbiologie

Die besondere Position der Planctomyceten beruhte auf ihrer ungewöhnlichen Zellbiologie. Bisherige Forschungsergebnisse deuteten darauf hin, dass sie - wie pflanzliche und tierische Zellen – innerhalb der Zelle durch Membranen abgegrenzte Funktionsbereiche und sogar eine Art Zellkern besitzen, das wichtigste Unterscheidungsmerkmal zwischen Prokaryoten und Eukaryoten. Im Gegensatz dazu schien den Planctomyceten eine Zellwand aus Peptidoglykan und damit eines der typischsten Bakterien-Merkmale zu fehlen.

Mikrobiologe Christian Jogler, zuletzt Leiter der Nachwuchsforschergruppe „Mikrobielle Zellbiologie und Genetik“ an der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen in Braunschweig, konnte bereits in einer früheren Studie nachweisen, dass Planctomyceten sehr wohl eine typische Peptidoglykan-Zellwand besitzen. In seiner nun veröffentlichten Studie weist er zudem nach, dass auch die vermuteten Zellkompartimente lediglich Artefakte sind, die auf nicht ausreichende Untersuchungsmethoden zurückgehen.

dSTORM-Lichtmikroskop genutzt

Planctomyceten sind demnach klassische gramnegative Bakterien – wohl aber mit besonderen Eigenschaften. Jogler nutzte für seine Arbeit neben bioinformatischen Methoden und Genomanalysen auch ein hochmodernes, an der DSMZ etabliertes dSTORM-Lichtmikroskop mit einer einzigartig hohen Auflösung. Damit konnten die Forscher nachweisen, dass Planctomyceten eine definierte Zytoplasma-Membran und einen für Bakterien ungewöhnlichen periplasmatischen Raum aufweisen, welcher zudem stark vergrößert werden kann. „Unsere extrem hoch auflösenden Aufnahmen zeigen, dass es sich entgegen der Lehrmeinung nicht um Zellkompartimente handelt, sondern um Einstülpungen der Zytoplasma-Membran, die vermutlich der Lagerung von Nährstoffen dienen“, erläutert Jogler. Sie sind auch die Erklärung für den manchmal identifizierten Zellkern. Denn wenn sich die Einstülpungen zufällig um die DNA legen, erscheinen sie in geringer aufgelösten, zweidimensionalen Aufnahmen fälschlicherweise als doppelwandiger Kern. „Planctomyceten haben keinen Zellkern“, stellt Jogler fest.

Proteinfäden, die Nährstoffe binden

Joglers Team konnte zudem die Aufnahme von Nährstoffen durch Endozytose, einem Prozess der einzigartig für Eukaryoten und Planctomyceten zu sein schien, widerlegen. Unterstützt werden könnte die Nährstoffaufnahme hingegen von Strukturen, die molekularen Angeln ähneln, die die Wissenschaftler an der Oberfläche der Planctomyceten nachgewiesen haben. Dabei handelt es sich vermutlich um Proteinfäden, die Nährstoffe wie Zucker binden, welche dann in den vergrößerten periplasmatischen Raum hineingezogen werden. Die genaue Funktionsweise ist jedoch noch unklar. Jogler und seine Kollegen haben insgesamt sechs Jahre an diesem Forschungsprojekt gearbeitet.

Produzenten antibiotisch aktiver Substanzen

Planctomyceten sind eine Gruppe weltweit vorkommender Bakterien. Viele Arten leben aquatisch in Süß- und Salzwasser. Sie gelten als relativ unerforscht, da sie trotz ihrer ungewöhnlichen Eigenschaften bislang nicht im Zentrum des wissenschaftlichen Interesses standen. Aufgrund einer weiteren Besonderheit ist das Interesse an Planctomyceten zuletzt aber gestiegen: Sie sind Produzenten antibiotisch aktiver Substanzen, die das Potential für neue Medikamente haben.

Dr. Christian Jogler war bis Ende 2016 Leiter der Nachwuchsforschergruppe „Mikrobielle Zellbiologie und Genetik“ an der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen in Braunschweig. Die Erforschung der Planctomyceten war in dieser Zeit einer seiner Schwerpunkte. Seit Januar 2017 ist Jogler im Rahmen der Radboud Excellence Initiative Assistant Professor an der Radboud University im niederländischen Nimwegen. (idw, red)