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11.08.11 Trehalose schützt den Fadenwurm vor Austrocknung

Fadenwürmer überstehen mit Hilfe von Zucker extreme Trockenheit

Forscher erklären, wie die Würmer Trockenphasen überdauern

Ohne Wasser kein Leben – für einige Lebewesen gibt es eine Ausnahme von dieser existenziellen Regel: Sie können auch extreme Trockenheit überleben. Forscher des Dresdner Max-Planck-Instituts für Molekulare Zellbiologie und Genetik haben nun die molekularen Mechanismen dieses Phänomens im Fadenwurm Caenorhabditis elegans entschlüsselt: Larven können einen Wasserverlust von 98 Prozent überstehen und nach fast totaler Austrocknung wiederauferstehen. Zu diesem Überlebenswunder benötigen die Würmer den Zucker Trehalose: Offensichtlich können sie eine Veränderung des Feuchtigkeitslevels erspüren und darauf reagieren, indem sie mehr Trehalose herstellen – fast fünfmal so viel wie der Normalwert. Die Zellmembranen bleiben dabei intakt, der Wurm nimmt keinen Schaden.

Abb. 1: Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans können trockene Phasen überstehen, indem sie verstärkt den Zucker Trehalose produzieren. In Trockenstarre rollen sich die Tiere auf
Quelle: MPI f. molekulare Zellbiologie und Genetik

Lebewesen wie Bärtierchen, Salzwasserkrebse oder der millimetergroße Fadenwurm C. elegans können bei extremer Austrocknung ihren Stoffwechsel herunterfahren und sich in einen todesähnlichen Zustand versetzen ohne tatsächlich zu sterben – Anhydrobiose heißt dieses Leben ohne Wasser. Der Fadenwurm ist in der Biochemie, Entwicklungsbiologie oder Genetik ein beliebter und vielgenutzter Modellorganismus; für die Anhydrobiose-Forschung ist er bisher allerdings kaum eingesetzt und noch nie im Labor auf seine Austrocknungstoleranz getestet worden.

Das haben nun Forscher um Teymuras Kurzchalia am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf getan: Sie haben sich Fadenwurm-Larven in verschiedenen Austrocknungsgraden mit und ohne Vorbehandlung angeschaut und die Überlebensraten beschrieben. Dazu nutzten sie Larven im sogenannten Dauerstadium – bei widrigen Umweltbedingungen verfällt C. elegans in diesen alternativen Entwicklungszustand, in dem er keine Nahrung braucht, einen heruntergefahrenen Energiehaushalt hat und so eine Vielzahl von Stressfaktoren besser ertragen kann. Für die Experimente züchteten die Forscher spezielle Mutanten, die sich bei 15 Grad Celsius fortpflanzen und bei 25 Grad in das Dauerstadium fallen.

Abb. 2: Trehalose - 1-α-Glucopyranosyl-1-α-Glucopyranosid

Wundervolle Wiederauferstehung

Die Würmer wurden herangezogen, dann einen Tag lang einem bestimmten Trockenheitsgrad ausgesetzt. Danach wurde dem Medium, in dem die Larven leben, wieder Wasser hinzugefügt und die Überlebensrate der Würmer festgestellt. Die toten Würmer blieben starr, andere Würmer aber vollzogen die wundervolle Wiederauferstehung: Schon 20 Minuten nach Wasserzugabe schlängelten sie sich bereits wieder durch das Nährmedium. Bei plötzlichem Wasserentzug sind auch die mutierten Würmer nicht besonders resistent und überleben nur sehr geringe Austrocknungsgrade.

Larven hingegen, die vier Tage lang bei heruntergesetzter Feuchtigkeit gehalten, also auf den Wasserentzug vorbereitet wurden, erhöhten ihre Trockenheitstoleranz auffallend und erreichen damit eine sehr hohe Überlebensrate: 23 Prozent Restfeuchtigkeit stecken dann fast alle Larven ohne jeglichen sichtbaren Schaden weg, selbst totalen Wasserentzug überlebt jeder zehnte Wurm. Eine weitere Beobachtung: Die Würmer, denen langsam das Wasser entzogen wurde, nahmen eine gespulte Haltung ein. Die Forscher interpretieren das als eine Strategie der Würmer, um das Verdunsten von Feuchtigkeit zu verringern.

Die Forscher interessierten sich nun für den Zucker Trehalose – schon lange hatte man ihn im Visier, um das Phänomen der Anhydrobiose zu verstehen. Bekannt war, dass Würmer ihren Trehalose-Pegel bei Austrocknung um ein Vielfaches hochfahren. Das Dresdner Forscherteam wollte das für seine Dauer-Larven genauer wissen: Ihren speziellen Mutanten haben sie wieder langsam das Wasser entzogen und nach dieser Vorbereitung einen fünffachen Trehalose-Wert in den Würmern feststellen können. Das zeigt, dass die Würmer offensichtlich eine Schwankung der Feuchtigkeit ermitteln können und mit erhöhter Trehalose-Produktion beantworten. Der Zucker scheint für Fadenwürmer eine wichtige Komponente zu sein, um extreme Trockenheit besser zu überstehen – was nicht für alle Lebewesen gilt: Rädertierchen beispielsweise überleben komplette Austrocknung auch, ohne Trehalose überhaupt herstellen zu können.

Intakte Zellmembran nach Wiederauferstehung

Um die Rolle von Trehalose detaillierter zu verstehen, züchteten die Forscher eine weitere Mutante, die diesen Zucker nicht produzieren kann. Schaut man sich dann die Würmer nach Austrocknung und Wiederbelebung unter dem Licht- oder Elektronenmikroskop genauer an, so fällt folgendes auf: Bei einer Feuchtigkeit von 60 Prozent überleben dies nur die Würmer unbeschadet, die Trehalose produzieren können. Die genveränderten Wurmlarven ohne Trehalose-Produktion hingegen überlebten nicht und wiesen plötzlich auffällige Fetttröpfchen auf – ein Hinweis darauf, dass ohne Trehalose die Zellmembranen der Würmer anfälliger sind und Fetttröpfchen unkontrolliert fusionieren, was die Membran zerstört. Ein hoher Trehalose-Pegel aber, so die Folgerung, hilft dabei, die Zellmembran auch bei extremer Austrocknung voll funktionsfähig zu halten. In Zukunft wollen die Forscher weitere Technologien wie etwa die Raman-Spektroskopie verwenden, um auch die physikalischen Vorgänge bei der Anhydrobiose besser zu verstehen.

Quelle:

Trehalose Renders the Dauer Larva of Caenorhabditis elegans Resistant to Extreme Desiccation
C. Erkut, et. al., Curr. Biol. 2011. DOI: 10.1016/j.cub.2011.06.064

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Trehalose schützt den Fadenwurm vor Austrocknung
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2011/aug/trehalose.shtm)

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