Amors Reise in grün

Dieser Text entstand im Rahmen des Klaus-Tschira-Preises  für verständliche Wissenschaft. Hier schreiben Promovierte über ihre Doktorarbeit. Nur die Gewinnertexte wurden in Bild der Wissenschaft veröffentlicht. Es sind aber noch viele weitere hervorragende Texte darunter gewesen. Einigen von diesen wird in den Scilogs nun auch ein Platz in Form von Gastbeiträgen eingeräumt. Initiiert von Anna Müllner, die selbst am Preis teilnahm, hier bei den Scilogs bloggt und es schade fand, dass so viele spannende Geschichten über Wissenschaft nicht den Weg in die Öffentlichkeit fanden. Die Artikel findet ihr gesammelt hier, sie werden hintereinander veröffentlicht.

Einer dieser Texte ist von Dr. Frank Vogler. Er hat als Stipendiat der Max-Weber-Stiftung des Deutschen Volkes Biologie und Chemie an der Uni Regensburg studiert und dann am Lehrstuhl für Zellbiologie promoviert dort auch einen Postdoc absolviert. Er ist stolzer Papa von zwei kleinen Mädchen und spielt Fagott.

Im Liebesspiel der Blütenpflanzen spielt eine Zelle eine ganz besondere Rolle: der Pollenschlauch. Auf seiner Odyssee des Befruchtungsvorgangs  hat er die Spermazellen in seinem Gepäck und muss einer Vielzahl an molekularen Signalen folgen. Ein besonderes Protein in seiner Schaltzentrale hilft ihm dabei!

Sie sind bunt und formenreich, duften gut und sind bei Hochzeitsvorbereitungen ein potentieller Krisenherd. Blumen, oder im botanischen Fachjargon formuliert Blütenpflanzen, sind aus unserem Alltag kaum wegzudenken. Von „Bienchen und Blümchen“ wurde uns schon in der Grundschule erzählt. Den wenigsten dürfte  aber bekannt sein, dass die zellulären und molekularen Prozesse, welche dem pflanzlichen Befruchtungsvorgang zu Grunde liegen, auf höchst komplexe Weise zeitlich und räumlich verschaltet werden und nach wie vor viele offene Fragen an die Wissenschaft stellen.

Aber zuerst, falls Ihre Grundschulzeit doch schon etwas verblasst sein sollte, eine kurze Auffrischung hinsichtlich „Bienchen und Blümchen“. Das Bienchen, ein anderer Bestäuber oder, ganz unromantisch, einfach auch nur der Wind, transportieren den Pollen, der aus den männlichen Teilen einer Blüte stammt. An der Narbe einer weiblichen Blüte der gleichen Art bleibt er dann kleben. Der Pollen ist dabei nichts anderes als eine Zelle mit einer extrem dicken und spezialisierten Zellwand, in welche zwei weitere kleine Zellen eingebettet sind. Da der Pollen oft eine lange und harte Reise durchmachen muss bis er schlussendlich sein Ziel erreicht, befindet er sich in einer Art Dornröschenschlaf. Als Vorbereitung auf seine Reise hat er einen Großteil seines Zellwassers abgegeben und eine Vielzahl an schützenden Pigmenten und weiteren Molekülen in seinen Zellwänden verbarrikadiert – zum Leidwesen von Allergikern. Trifft er nun auf seinen kompatiblen weiblichen Blütengegenpart, versorgt und aktiviert dieser ihn mit Wasser, Ionen und einer Batterie an kleinen Molekülen und Proteinen. Nun erfolgt eine der erstaunlichsten zellulären Reaktionen im Pflanzen- und Tierreich. Die Pollen-Zelle beginnt an einer Stelle ihre Zellwand aufzubrechen und sich aufzublähen, vergleichbar als würde man einen Luftballon gleichmäßig mit seinen Händen drücken. Der Druck ergibt sich im Falle des Pollens aus dem in die Zelle einströmenden Wasser. Nun beginnt die Zelle von der Spitze dieser Auswölbung her mit einer extremen Form des Zellwachstums und bildet eine Art Zellschlauch aus. Dieser sogenannte Pollenschlauch bahnt sich nun seinen Weg in die weiblichen Blütengewebe hinein und durchwandert den Griffel um dann zu den Samenanlagen zu gelangen. In diesen befindet sich das Ziel seiner Reise, die weiblichen Befruchtungszellen. Die zwei Befruchtungszellen im Inneren des Pollenschlauches sind die männlichen die Spermazellen. Sobald der Pollenschlauch sein Ziel erreicht, endet sein Dasein in der völligen Selbstaufgabe. Er platzt und schleudert dabei die Spermazellen zu den weiblichen Befruchtungszellen. Dort findet dann die Zellfusion statt und es entsteht neues Leben: der Embryo – fest verpackt in seine Samenschalen – ist der Anfang einer neue Pflanzengeneration.

In meiner Doktorarbeit begleitete ich die zellulären und molekularen Veränderungen dieser Reise des Pollenschlauches, vom Brechen des Dornröschenschlafs bis hin zur absoluten Selbstaufgabe bei der Befruchtung. Der Pollenschlauch, der innerhalb weniger Stunden bis zu ein Hundertfaches der Länge seines Pollenkorns erreichen kann und die am schnellsten wachsende Pflanzenzelle darstellt, wächst ausschließlich an seiner halbkuppelförmigen Spitze. Hier, in einem kleinen Bereich von wenigen Quadratmikrometern, sitzt die molekulare Schaltzentrale, die über die Wachstumsrichtung und –Geschwindigkeit, sowie über das Platzen und das Freisetzen der Spermazellen entscheidet.

Doch bevor es zum gerichteten Wachstum des Pollenschlauchs kommen kann, stellt sich die Frage, wie aus einer elliptisch-runden, sehr dickwandigen Zelle wie dem Pollenkorn, eine solche höchst polare Struktur wie der Pollenschlauch überhaupt entstehen kann. Ich habe eine Methode entwickelt, die es ermöglich, diese frühen Prozesse der Zellpolarisierung im Pollenkorn mit hoher Auflösung zu beobachten. Sozusagen eine Technik, um Dornröschen beim Aufwachen zu filmen. Meine Forschungsergebnisse zeigten, dass in unserem Modellorganismus Arabidopsis thaliana bestimmte Proteine, dass wir ARO genannt hatten, sich exakt an dieser Stelle anreichert, an der wenige Minuten später die Zelle sich aufbläht und den Pollenschlauch initiiert wird. Interessanter Weise erfolgt diese Anreicherung aber nicht kontinuierlich; vielmehr folgt sie nach einem kurzen Pulsieren – als würde dieses Protein von innen an die Zellwand klopfen und fragen: „Geht’s hier raus?“. Wenn diese Frage mit einem „Nein“ beantwortet wurde, wird nach einer kurzen Denkpause eben diese Frage an einer anderen Stelle neu formuliert. Dort bildet sich dann im Falle eines „Ja“ der Pollenschlauch aus. Fehlt dem Pollenkorn diese ARO Proteine, so ist er nicht in der Lage überhaupt einen Pollenschlauch zu generieren. Vielmehr platzt er meist direkt nach der Keimung. Wenn es dem Pollen doch einmal gelingt, trotz des Fehlens der ARO Proteine einen Pollenschlauch auszubilden, dann ist dieser nicht lang und dünn, sondern kurz und dick; so sehr er sich doch bemüht – für die Befruchtung langt das jedoch leider nicht.

Doch was machen dieses ARO Proteine so Essentielles, dass ohne sie der Pollenschlauch nicht wachsen kann? Im Pollenschlauch reichert sich dieses Protein stark in dem aktiv wachsenden, halbkuppelförmigen Spitzenbereich, an. Damit hier Wachstum stattfinden kann, müssen pro Minute tausender kleiner Zellwand-Baumaterial-enthaltender Transportpakete zugestellt und deren Inhalt rasch in die bereits bestehende Zellwand eingebaut werden. Diese sogenannten Vesikel sind von einer Membran umhüllt und müssen zunächst mit der die Zelle abschließenden Membran fusionieren. Diese Zellmembran trennt das zellsaftumflutete Innere von der außen anliegenden Zellwand ab. Damit die Inhalte dieser Vesikel in die Zellwand eingebaut werden können, müssen sie zunächst ausgepackt und deren Inhalte dadurch freigesetzt werden; ein Prozess den man biologisch als Sekretion bezeichnet. Eine Vielzahl von Proteinen ist dabei sowohl an der zielgenauen Zustellung, sowie an dem molekularen Auspacken beteiligt. Wir konnten zeigen, dass sich ARO Proteine an diesen Vesikeln stark ansammeln. Inhibieren wir die molekulare Sekretionsmaschinerie mittels eines Pilzgifts namens Brefeldin A, so verschwindet die Anreicherung von ARO Proteinen in der sonst so sekretionsstarken Schaltzentrale in der Spitze der Pollenschläuche.

Zelluläre Prozesse werden durch das Zusammenspiel von unterschiedlichen Proteinen reguliert. Ich wollte wissen, welche molekularen Interaktionen diese ARO Proteine aufweisen. Hierfür kam die Hefe ins Spiel. Sonst eher zum Backen oder Brauen verwendet, ist sie ein hervorragendes molekularbiologisches Werkzeug, um schnell zehntausende von möglichen Proteinkombinationen auf deren Zusammenspiel zu testen. Wir konnten somit ARO Proteinpartner identifizieren. Diese sind sowohl an Signalprozessen beteiligt sind, die die Sekretion an die Spitze des Pollenschlauchs lenken, oder helfen auch beim Auspacken der Vesikel an ihrem Bestimmungsort.

ARO Proteine sind somit wichtige Komponenten der molekularen Schaltzentrale von Pollenschläuchen, die es ihnen erlauben sich auf ihrer amourösen Reise zu den weiblichen Befruchtungszellen zurecht zu finden. Jedoch kommen in der Arabidopsis Pflanze auch in anderen Geweben ARO Proteine vor. Nachdem ich die Genfunktion von mehreren verwandten ARO Proteinen „ausgeschaltet“ hatte, waren die Pflanzen plötzlich nicht mehr in der Lage Wurzelhaare auszubilden. Wurzelhaare sind ebenfalls schlauchförmige Zellverlängerungen, welche in der äußersten Zellschicht der Wurzel vorkommen und die die Funktion haben, die Pflanzen fest im Boden zu verankern und durch eine extreme Oberflächenvergrößerung die Aufnahme von Wasser und Nährsalzen zu verbessern. Auf der molekularen Ebene läuft das Zellwachstum von Wurzelhaaren erstaunlich ähnlich ab wie das von Pollenschläuchen. Auch hier sitzen ARO Proteine in der Spitze und dirigieren die Vesikelfusion in den aktiven Wachstumsbereich.

Neben ihrer Verkuppler-Tätigkeit fungieren die ARO Proteine somit auch in weiteren Prozessen des pflanzlichen polaren Zellwachstums. Es drängt sich natürlich die Frage auf, inwiefern wir dieses Grundlagenwissen nutzen und in andere Bereiche übertragen können. Auch infektiöse Pilze oder unsere Nervenzellen wachsen durch polares Spitzenwachstum. Die molekularen Grundlagen sind teils erstaunlich ähnlich zu denen des Pollenschlauchs. Auch wenn uns dazu noch keine konkreten Ergebnisse vorliegen, wäre es gut vorstellbar, dass wir eines Tages so Wissen erzeugen werden, welches erheblich zum medizinischen Fortschritt beitragen könnte – abgeleitet von den molekularen Befruchtungsvorgängen der Pflanzen.