Analyse der Schleimbildung bei Algen mit Energiefilter-TEM

Die Bildung von Algenschleimen stand aus ökologischen und ökonomischen Gründen bereits im Mittelpunkt zahlreicher biologischer Untersuchungen. Dabei ergab sich, dass neben ihres negativen Einflusses auf die menschliche Gesundheit und auf wirtschaftliche Interessen, die Schleimhüllen von Algen beträchtliche ökologische Vorteile für die entsprechenden Organismen bieten. Schleime können Algen vor ungünstigen Umweltbedingungen wie Trockenheit, tiefer Temperatur oder erhöhter UV-Strahlung schützen. Sie können darüber hinaus wichtige Funktion bei Reproduktionsvorgängen übernehmen, für Bewegungen verantwortlich sein und in Wechselwirkungen zwischen aquatischen Organismen eingreifen. Während sich zahlreiche Studien mit der chemischen Zusammensetzung von Algenschleimen und mit Umweltfaktoren beschäftigen, die die Produktion von Schleim induzieren ist nur wenig über intrazellulären Vorgänge bei der Schleimproduktion und über möglichen Exkretionsmechanismen bekannt. In diesem Projekt werden daher strukturelle Aspekte der intrazellulären Schleimproduktion und -exkretion in zwei verschiedenen Gruppen von Süßwasseralgen (Desmidiaceen und Mesotaeniaceen) mit Hilfe von neuen Energiefilter-Techniken in der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Diese Methode ermöglicht erstmalig die Abbildung biologischer Strukturen ohne die Verwendung von Schwermetallen und liefert damit wesentlich verlässlichere Ergebnisse als die konventionelle TEM. Die Ziele des Projektes lassen sich in drei Themengruppen unterteilen: 1. zu klären wie die Schleimproduktion innerhalb der Zelle erfolgt, wie der gebildete Schleim in Vesikel verpackt wird, welche Vesikelpopulationen am Transport des Schleimes beteiligt sind und auf welche Weise die Vesikel zu den Exkretionsorten bewegt werden. 2. mittels Vergleich von zwei unterschiedlichen Algensystemen festzustellen, wie möglichst effiziente Schleimexkretion an der Zelloberfläche erfolgen kann. Dabei werden sowohl Schleimausscheidung durch spezielle hoch-differenzierte Zellwandporen, als auch durch undurchbrochene Zellwandschichten untersucht. Die Entwicklung der Porenapparate und mögliche Öffnungs- bzw. Schließmechanismen werden in die Untersuchungen miteinbezogen. 3. herauszufinden, inwieweit sich ökologisch relevante Umweltfaktoren wie tiefe Temperatur oder erhöhte UV- Strahlung auf die intrazelluläre Schleimbildung und die Exkretion auswirken. Algen die im Winter ihren natürlichen Standorten entnommen werden und solche die unter Laborbedingungen bei tiefer Temperatur gehalten werden, werden dabei im TEM untersucht. In Kooperation mit dem GSF-Forschungszentrum (Deutschland) wird die Auswirkung von, in einem Sonnensimulator erzeugter UV-Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge auf die Schleimproduktion von Algen untersucht.

Untersuchungen zur intrazellulären Schleimbildung und Exkretion bei Algen sind sowohl aus ökologischen als auch aus ökonomischen Gründen von Bedeutung. Neben ihrem negativen Einfluss auf die menschliche Gesundheit und auf wirtschaftliche Interessen, können Schleimhüllen für die Algen selbst wesentliche ökologische Vorteile bieten. Sie können vor ungünstigen Umwelteinflüssen wie Austrocknung oder extremer Temperaturen schützen, ein entsprechendes Mikroklima für die Fortpflanzung der Algen schaffen und sie haben wichtige Funktion für die Beweglichkeit der Zellen und für Interaktionen zwischen den Organismen aquatischer Systeme. Im Zentrum dieses Projektes stand, mit modernen elektronenmikroskopischen, immunologischen und biochemischen Methoden zu analysieren, wie die intrazellulären Schleimproduktion und der Sekretionsweges von Schleimvesikel abläuft und wie es den Zellen gelingt in sehr kurzen Zeiträumen große Schleimmengen gezielt freizusetzen. Als Untersuchungsobjekte dienten zwei verschiedene Süßwasser Grünalgen an denen bereits zellbiologische Voruntersuchungen vorlagen. Die zellbiologischen Studien wurden an der Universität Salzburg durchgeführt, Experimente zur Wirkung von UV-Licht auf die Schleimproduktion im GSF-Forschungszentrum München, und biochemische Analysen von Schleimen und Zellwänden erfolgten in Kooperation mit der Universität Rouen, Frankreich. Zwei verschiedene und alternierende Modi der Schleimausscheidung konnten mit Hilfe von digitalen Zeitraffer-Videoaufnahmen beobachtet werden: die Zellen können einerseits Schleim über ihre gesamte Oberfläche ausscheiden was zur Bildung von dicken schützenden Schleimhüllen führt, lokale Freisetzung von Schleim durch einen der Zellpole andererseits, ermöglich den Zellen sich in Beziehung zu einer Lichtquelle zu bewegen. Mit Hilfe eines Antikörpers der gegen externen Algenschleim hergestellt wurde, konnten intrazelluläre Kompartimente als Schleimvesikel definiert und ihr Sekretionsweg verfolgt werden. Es wurde gezeigt, dass im Gegensatz zu früheren Angaben Schleim nicht nur durch Zellwandporen abgegeben werden kann, sondern auch direkt durch die Zellwand. Die Verwendung und Etablierung neuer elektronenmikroskopischer Methoden, sowie die Erarbeitung der entsprechenden Präparationsmethoden für Algenzellen führte dazu, dass erstmalig Organelleninteraktionen und Abbauprozess von Organellen und Schleimvesikeln in den Untersuchungsobjekten dargestellt werden konnten. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass auch bei tiefen Temperaturen um den Gefrierpunkt Schleimproduktion möglich ist, was erklärt, dass die Zellen sich an den natürlichen Standorten z.B. im Winter mit Schleimhüllen schützen können. Um zu zeigen welche intrazellulären Faktoren für die Schleimbildung wichtig sind wurden verschiedene Inhibitoren eingesetzt.