Informationsspeicherung durch Cyanobakterien und Algen

Cyanobakterien und eukaryontische Algen müssen sich in Seen unter Bedingungen vermehren, unter denen die Zufuhr von Phosphat ständigen Änderungen unterworfen ist. In einer derartigen Situation ist ein kontinuierlicher Wachstumsprozess nur möglich, wenn diese Organismen in der Lage sind, ihren Stoffwechsel an Schwankungen in der Nährstoffzufuhr effizient anzupassen. Dabei kommt es ständig zu strukturellen Neuorganisationen der Zelle, bei denen die Energieverwertung bei der Phosphataufnahme und bei der Photosynthese auf vielfältige Weise aufeinander einstellt wird und von denen der gesamte Stoffwechsel betroffen ist. Dieser Anpassungsvorgang gehorcht einer Logik, der eine komplexe Informationsverarbeitung zugrunde liegt und die derzeit nur unzureichend verstanden wird. Die Informationsverarbeitung geht so vor sich, daß die externe Konzentration dieses Nährstoffes durch die Aufnahmeaktivität der gesamten Community in einzelne Pulse zerlegt wird, so daß bei intermittierender Phosphatzufuhr kurzzeitige Erhöhungen der externen Phosphatkonzentration von längeren Perioden unterbrochen werden, in denen dieser Nährstoff nicht aufgenommen wird. Unter diesen Bedingungen passen sich die Mikroorganismen an die Form der von ihnen produzierten Pulse zunächst an, speichern dann Informationen über den Anpassungsvorgang und verwerten diese Informationen, um nachfolgende Anpassungen an die nächsten Pulse in einer für den Organismus günstigen Weise durchführen zu können. Mit diesem Mechanismus wird bei jedem Puls genügend Phosphat akkumuliert, um den kontinuierlichen Bedarf der wachsenden Zelle decken zu können. Somit kann die Fähigkeit, Informationen über vorherige Anpassungen zu speichern, als einfache Form eines "Gedächtnisses" für erhöhte Phosphatkonzentrationen betrachtet werden. Interessant ist, daß bei diesem Gedächtnis auch Informationen über die von den Mikroorganismen "erfahrenen" Umweltänderungen an Tochtergenerationen weitergegeben werden können. Dies hat zur Folge, daß das Verhalten von Tochter- und Enkelgenerationen in distinkter Weise von Erfahrungen geprägt wird, die von Mutter- oder Großmutterzellen gemacht worden sind. Die hier beschriebene Studie beschäftigt sich mit einer Charkterisierung dieses Gedächtnisses bei Organismen aus verschiedenen Biotopen. Neben einer Untersuchung der Frage, wie die Form und Muster der Pulse beschaffen sein müssen, damit es zu einer Informationsspeicherung kommt, soll auch die gegenseitige Anpassung energiekonvertierender Subsysteme, die während einer Informationsspeicherung stattfindet, physiologisch studiert werden. Ferner soll der Versuch unternommen werden, dieses Gedächtnisphänomen für eine Quantifizierung des diffusen Phosphateintrags in Seen zu verwenden.

Das Projekt beschäftigte sich mit der Frage, wie ein einfacher Mikroorganismus sich selbst im Verlauf von Erfahrungen seiner Umwelt ständig von neuem erzeugt. Die Untersuchungen basieren auf einer Analogie zwischen Erfahrung und dem Phänomen der physiologischen Anpassung. Ausgehend von der Tatsache, dass jede neue Erfahrung im Kontext einer Erfahrungsgeschichte erfolgt, beschäftigten wir uns mit der Frage, in welchem Ausmaß ein adaptiver Respons durch vorangegangene Anpassungen beeinflusst wird und ob sich in einer Abfolge adaptiver Ereignisse ein zelluläres "Gedächtnis" entdecken lässt. Als Modellsystem wurde die Regulation des Phosphataufnahmesystems von Cyanobakterien bei Phosphatfluktuationen im externen Milieu untersucht. Hier entdeckten wir, dass Cyanobakterien in der Lage sind, zwischen unterschiedlichen Fluktuationsmustern zu unterscheiden, und zwar auch dann, wenn während dieser Fluktuationen die gleiche Phosphatmenge inkorporiert wurde. Die Zellen speichern dann Informationen über diese unterschiedlichen Muster und regulieren damit das nachfolgende Anpassungsverhaltens des Phosphataufnahmesystems in distinkter Weise. Unter bestimmten Bedingungen werden Informationen über Fluktuationsmuster auch auf Tochterzellen übertragen. Eine Computersimulation des Phosphataufnahmeprozesses, bei der ein thermodynamisches Modell der Umwandlung von externem Phosphat in einen internen Polyphosphatspeicher verwendet wurde, erlaubte dieses Phänomen zu analysieren. In diesem Modell wird die Phosphatinkorporation durch ein System bewerkstelligt, in dem zwei energiekonvertierende Subsysteme ständig über die Änderungen der externen Phosphatkonzentration kommunizieren`. Ein Subsystem ist der Carrier, der das Phosphat durch die Zellmembran in die Zelle hinein transportiert; das andere die ATP-Synthase, die das intrazelluläre Phosphat in ein energiereiches Intermediat umwandelt, das zur Polyphosphatbildung nötig ist. Durch diese Kommunikation passen sich die beiden energiekonvertierenden Subsysteme in einer Sequenz von adaptiven Ereignissen aneinander an, indem sie abwechselnd adaptierte Zustände und adaptive Operationsmodi einnehmen. In diesem Kommunikationsprozess "beobachtet" eine Zelle ständig umgebende Phosphatfluktuationen und regeneriert sich dabei selbst. Jeder adaptive Respons auf eine Veränderung in der Umwelt ist eine Funktion der Dynamik dieser Kommunikation, die ihrerseits durch verschiedene Umweltstimuli unterschiedlich moduliert wird. Durch diesen Mechanismus` beeinflussen vorausgehende Umweltphosphatfluktuationen potentiell nachfolgende adaptive Response auf vielfältige Weise. Die im Computer simulierten Phosphataufnahmeprozesse standen in Einklang mit dem experimentell beobachteten Verhalten, wenn das Programm während der Simulation in einer selbst-referentiellen Weise die Parameter der beiden Subsysteme in Abhängigkeit von den errechneten externen und internen Phosphatkonzentrationen wechselseitig aufeinander einstellte.