Umgekehrte chemische Ökologie: Liebesbriefe von Mammuts

Die meisten Tierarten, von Insekten bis zu Säugetieren, mit wenigen Ausnahmen wie Menschen und höheren Primaten, kommunizieren durch chemische Botschaften. Diese chemischen Verbindungen werden Pheromone genannt und enthalten Informationen über Geschlecht, Dominanz, Gefahr, Territorium und soziale Schichten. Da es sich im Allgemeinen um flüchtige Verbindungen handelt, bleiben sie nur kurze Zeit in der Umgebung, so dass wenig Zeit für die Kommunikation und Weitergabe der Geruchsnachricht verbleibt. Es ist daher unmöglich, Pheromone ausgestorbener Arten zu analysieren, um mehr über ihre Beziehungen zur Umwelt zu erfahren. Das nennen wir "chemische Ökologie". Es gibt jedoch eine Hintertür, um dieses Problem anzugehen. Bei der "umgekehrten chemische Ökologie" bedient man sich eines bottom-up Ansatzes und untersucht die Proteine die zum Binden und Transport von Pheromonen verwendet wurden. Im Gegensatz zu chemischen Verbindungen, die mit dem Aussterben der Spezies verschwunden sind, bleiben die Informationen der Proteine in den DNA-Sequenzen kodiert und gespeichert. Da die Genome einiger ausgestorbener Spezies bereits sequenziert wurden können wir jetzt ihre Proteine re-synthetisieren und ihre Strukturen untersuchen. Ziel dieses Projektes ist es, die Strukturen von Pheromon-bindenden Proteinen des Mammuts zu untersuchen und ein detailliertes Bild ihrer Bindungstaschen zu erhalten und im Umkehrschluss auch über die ursprünglichen Pheromon-Moleküle welche die Mammuts verwendet haben. Gängige molekularbiologische Techniken ermöglichen die Herstellung eines Proteins ohne Verwendung biologischer Proben, nur aufgrund der Kenntnis des kodierenden Gens. Nach einem Iterationsprozess werden wir das Protein mit den asiatischen Elefantenpheromonen und strukturell verwandten Chemikalien testen, um schließlich die Struktur zu finden, die am besten zur Bindungshöhle passt. Dies ist das erste Mal, dass ein solcher Ansatz auf eine ausgestorbene Spezies angewandt wird. Die Einschränkung dieses Ansatzes ist, dass wir niemals absolut sicher sein werden, dass die vorgeschlagene Struktur tatsächlich das vom Mammut verwendete Pheromon war. Wir können jedoch einen Eindruck von der Zuverlässigkeit unserer Ergebnisse erhalten, indem wir dieselbe Serie von Experimenten mit dem afrikanischen Elefanten durchführen, dessen Pheromone noch nicht entdeckt wurden, aber in der Zukunft anhand von biologischen Proben identifiziert werden können. Die Wahl des Mammuts ist durch seine große Ähnlichkeit, speziell für die interessierenden Proteinsequenzen, zu beiden Elefantenspezies begründet, wodurch dieses Projekt auf soliden Informationen basiert und dadurch das Vertrauen in die erwarteten Ergebnisse rechtfertigt. Die Ergebnisse werden zeigen, inwieweit dieselbe Methode auf andere ausgestorbene Arten angewendet werden kann, wodurch ein Fenster zur Vergangenheit geöffnet wird und unser Wissen über die Beziehungen von ausgestorbenen Tieren zur Umwelt erweitert wird. Dieses Projekt wird ein Konzeptbeweis darstellen, um den Ansatz der umgekehrten chemischen Ökologie zum Aussterben von Arten anhand eines relativ einfachen Modells wie dem Mammut zu überprüfen. Die Ergebnisse werden zeigen, inwieweit dieselbe Methode auf andere ausgestorbene Arten angewendet werden kann, wodurch ein Fenster zur Vergangenheit geöffnet wird und unser Wissen über die Beziehungen von ausgestorbenen Tieren zur Umwelt erweitert wird.

FWF-Projekt P32472 Umgekehrte chemische Ökologie: die verlorenen Liebesbotschaften von Mammuts Zusammenfassung der Öffentlichkeitsarbeit Reverse Chemical Ecology ist ein relativ neuer Ansatz zur Entdeckung von Pheromonen und Semiochemikalien, die die Kommunikation bei Tieren vermitteln. Anstatt eine chemische Analyse der flüchtigen Stoffe durchzuführen, die in bestimmten Drüsen produziert und in die Umwelt freigesetzt werden, bietet dieser Ansatz eine Hintertür zur Untersuchung ihrer Bindungsproteine. Es ist, als würde man die Form eines Fußes aus dem Fußabdruck rekonstruieren, den ein prähistorisches Tier auf dem Boden hinterlassen hat. Diese Strategie ist besonders nützlich, wenn eine chemische Analyse natürlicher Pheromone nicht möglich ist, wie bei ausgestorbenen Arten, oder wenn sich die Sammlung biologischer Proben als problematisch erweist, wie bei Arten, die gefährdet oder schwer zu erreichen sind. In diesem Projekt wurde die Strategie der Reverse Chemical Ecology angewendet, um zwei verschiedene Fragen zu beantworten. Das erste befasst sich mit der hypothetischen Struktur eines menschlichen Pheromons in einem anderen Evolutionsszenario, in dem Menschen Pheromone verwenden würden, um miteinander zu kommunizieren. Zu diesem Zweck untersuchten wir die Pheromon-bindenden Proteine in zwei Primatenarten, einem Lemuren, der bekanntermaßen pheromonale Kommunikation nutzt, und einem Affen, in dem Pheromone vorkommen könnten, und verglichen ihre Eigenschaften mit einem ähnlichen Protein beim Menschen, das kodiert ist durch ein Gen, das vor dem Erscheinen unserer Spezies zum Schweigen gebracht wurde. Die drei Proteine waren in ihrer spezifischen Affinität einigen großen Molekülen sehr ähnlich, die übrigens als Pheromone anderer Säugetiere beschrieben wurden. Wir könnten daraus schließen, dass, wenn Menschen eine Art chemische Kommunikation beibehalten hätten, ihre Pheromone denen von Lemuren und Affen sehr ähnlich gewesen wären. Die zweite Frage zielte darauf ab, Hypothesen zu den Mammutpheromonen zu formulieren. Erneut verglichen wir die Leistung eines im Genom des Mammuts kodierten Bindungsproteins mit seinem Orthologen bei zwei Elefantenarten. Wir fanden heraus, dass dieses Protein vom Mammut bis zum Elefanten mit mehr als 95 % identischen Aminosäuren hoch konserviert war. Darüber hinaus band es spezifisch das Elefantenpheromon (Z)-7-Dodecenylacetat und das semiochemische (E)--Farnesen, die auch die besten Liganden für die Proteine der Elefanten waren. Daher kamen wir auch in diesem Fall zu dem Schluss, dass sich die chemische Kommunikation während der Evolution vom Mammut zum Elefanten nicht wesentlich verändert hat. Der in diesem Projekt beschriebene und getestete Ansatz kann von viel breiterem Nutzen sein und lässt sich leicht an die Entdeckung von Liganden für jede Art von Bindungsproteinen, Rezeptoren und sogar Enzymen anpassen. Angesichts der umfangreichen genomischen Informationen, die derzeit verfügbar sind, könnte es in manchen Fällen einfacher sein, die Bindungsproteine zu exprimieren und Affinitäten zu einer Reihe von Chemikalien zu untersuchen, als biologische Proben (oft schwer zu erhalten) auf der Suche nach einem bestimmten Liganden oder Substrat zu analysieren.