Um die circadiane Uhr in modernen Cyanobakterien besser zu verstehen, hat ein japanisches Forschungsteam alte Zeitmesssysteme untersucht. Sie untersuchten die Oszillation der Uhrproteine KaiA, KaiB und KaiC (Kai-Proteine) in modernen Cyanobakterien und verglichen sie mit der Funktion der Kai-Proteine ihrer Vorfahren. Ihre Forschungsergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.

Besseres Verständnis des physiologischen Ursprungs circadianer Uhrsysteme

„Heutige Cyanobakterien nutzen eine circadiane Uhr, um den Hell-Dunkel-Zyklus der Erde anhand ihrer Rotation vorherzusagen und so effiziente Photosynthesereaktionen zu erzielen. Wir wollten wissen, wann alte Bakterien die circadiane Uhr entwickelt haben und wie diese Eigenschaft an die heutigen Cyanobakterien weitergegeben wurde“, erklärt Atsushi Mukaiyama, Associate Professor an der Präfekturuniversität Fukui.

Cyanobakterien, manchmal auch Blaualgen genannt, sind photosynthetische Bakterien, die einen wichtigen Einfluss auf die Ozeane und die Atmosphäre der Erde haben. Wissenschaftler wissen, dass der letzte gemeinsame Vorfahr der Cyanobakterien vor etwa 3 Milliarden Jahren entstand. Durch die große Oxidationsphase, die vor etwa 2,3 Milliarden Jahren stattfand, als der Sauerstoffgehalt in der Erdatmosphäre anstieg, entwickelte er sich zum heutigen Ökosystem. Diese Entwicklung setzte sich während mindestens zwei Schneeball-Erde-Ereignissen vor etwa 2,4 und 0,7 Milliarden Jahren fort, als der Planet mit Eis bedeckt war, sowie während der Sauerstoffanreicherung im Neoproterozoikum, als der Sauerstoffgehalt der Erde ein zweites Mal anstieg. Die Sauerstoffanreicherung im Neoproterozoikum fand zwischen 800 und 540 Millionen Jahren statt.

Anhand von Fossilien und molekularen Evolutionsmodellen vermuten Wissenschaftler, dass der jüngste gemeinsame Vorfahr der Cyanobakterien bereits primitive Sauerstoff-Photosynthesesysteme besaß. Die Effizienz der Photosynthese wird stark von Licht-Dunkel-Zyklen in der Umgebung beeinflusst. Das Forschungsteam wollte untersuchen, ob primitive Cyanobakterien ein Zeitsystem hatten, als die Photosynthese während der Großen Oxidation aktiv wurde. Dies könnte Wissenschaftlern helfen, den physiologischen Ursprung circadianer Uhrsysteme zu verstehen.

Die circadiane Uhr der Cyanobakterien

Wissenschaftler haben circadiane Uhren, also interne Zeitgeber, die einen Organismus dazu bringen, nach einem 24-Stunden-Rhythmus zu funktionieren, in verschiedenen Organismen wie Bakterien, Pilzen, Pflanzen und Säugetieren identifiziert. Das Forschungsteam untersuchte die circadiane Uhr der Cyanobakterien anhand des Cyanobakterienstamms Synechococcus elongatus. Sie rekonstruierten den Uhrenoszillator in einem Reagenzglas unter Verwendung des Uhrproteins KaiC. Außerdem untersuchten sie die Funktion und Struktur der ursprünglichen Kai-Proteine, um festzustellen, wie sich selbsttragende Kai-Protein-Oszillatoren im Laufe der Zeit entwickelt haben.

Da bekannt ist, dass Licht-Dunkel-Zyklen die Effizienz der Photosynthese in Cyanobakterien beeinflussen, wollte das Team herausfinden, ob alte Cyanobakterien bereits eine selbsttragende circadiane Uhr besaßen, als die alten Oxidationsprozesse stattfanden und die photosynthetischen Systeme erstmals entstanden. Sie entdeckten, dass schnellere rhythmische Phänomene in den Proteinen der Ur-Uhr kodiert waren. „Die Uhr der alten Cyanobakterien war auf einen Zyklus von 18 bis 20 Stunden synchronisiert. Das bedeutet, dass die Geschichte der Erdrotationsperiode durch die Verfolgung der Evolution der Uhrproteinmoleküle rekonstruiert werden konnte“, erklärte Yoshihiko Furuike, Assistenzprofessor am Institut für Molekularwissenschaften.

Schnellere Evolution

Die Ergebnisse des Teams zeigen, dass das älteste KaiC in den Vorfahrenbakterien die für rhythmische Eigenschaften erforderliche Funktion und Struktur nicht aufwies. Durch molekulare Evolution erlangten die Kai-Proteine der Vorfahren um die Zeit der globalen Oxidation und der Schneeball-Erde die erforderliche Funktion und Struktur. Schließlich erbte der jüngste gemeinsame Vorfahr der photosynthetischen Cyanobakterien diesen selbsttragenden circadianen Oszillator. Diese Ergebnisse sind für das Verständnis der Chronobiologie durch Wissenschaftler äußerst hilfreich. „Unser oberstes Ziel ist es, modifizierte Cyanobakterien zu entwickeln, die sich durch Verkürzung oder Verlängerung der Periode des Kai-Protein-Oszillators an die Rotationsperiode anderer Planeten und Satelliten als der Erde anpassen können. Cyanobakterien haben lange gebraucht, um ihre Uhr auf 24 Stunden abzustimmen, aber mit modernem Wissen und moderner Technologie könnten wir eine noch schnellere Evolution erreichen“, sagte Shuji Akiyama, Professor am Institut für Molekularwissenschaften.