Die Studie, durchgeführt von Dr. Philipp Radler im Labor von Prof. Christa Schleper von der Universität Wien, zeigt, dass winzige Asgard Archaea-Zellen (ihr Volumen ist etwa tausendmal kleiner als das einer menschlichen Zelle) ihre Form stark verändern. Sie strecken lange Zellfortsätze aus, ziehen diese wieder ein und nutzen sie, um aktiv über Oberflächen zu kriechen – ein Verhalten, das bisher ausschließlich von Eukaryonten bekannt war.
Die Resultate geben nicht nur einen beispiellosen Einblick in das Verhalten von Asgard Archaeen, sondern können wichtige Hinweise darauf liefern, wie komplexes Leben entstanden ist. Heutige Modelle schlagen vor, dass erste Eukaryonten vor etwa zwei Milliarden Jahren aus der Vereinigung eines Bakteriums mit einem Vorfahren der heutigen Asgard Archaeen entstanden sind. Asgard Archaeen sind also ein entscheidender Baustein in der Entwicklung komplexer Zellen.
Erst vor kurzem, 2020 und 2023, wurden die ersten zwei Vertreter dieser Organismen im renommierten Institut JAMSTEC in Japan (Co-Autoren der aktuellen Studie) und in Christa Schlepers Labor an der Uni Wien kultiviert. Der Großteil unseres Wissens über Asgard Archaeen basiert vor allem auf DNA-Sequenzierungen oder auf Aufnahmen der Elektronenmikroskopie. Diese Bilder zeigten beeindruckende Zellformen: einen runden Zellkörper, umgeben von vielen filigranen Fortsätzen, die bis zu 20-mal länger als der Zellkörper sein können. Über das dynamische Verhalten der Zellen konnten diese Bilder aber nichts aussagen.
Live gefilmt unter dem Mikroskop
Diese Dynamiken zu beobachten, gelang nun Forschenden von der Universität Wien: Sie brachten Asgard Archaeen in eine sauerstofffreie Umgebung und filmten die lebenden Zellen im Mikroskop. Dabei nutzten sie zwei Stämme von Asgard Archaeen, einen sogenannten Lokiarchaeoten (kultiviert in Wien) und einen Heimdallarchaeoten (kultiviert in Japan). Beide Organismen ändern ihre Zellformen drastisch im Minutentakt und nutzen ihre feinen, beweglichen Fortsätze, um sich an Oberflächen festzusetzen und diese mit einer neuartigen Kriechbewegung zu erkunden. Eine solche Bewegung wurde bei Mikroben bislang nicht beschrieben und ausschließlich bei komplexeren Zellen, auch menschlichen Immunzellen, beobachtet.
Zudem zeigte das internationale Team, zu dem neben den japanischen Mikrobiologen auch Kolleg:innen vom IST Austria sowie die Forschungsgruppen „Zellbiologie“ von Prof. Theresia Stradal und „Molekulare Zellbiologie“ von Prof. Klemens Rottner am HZI in Braunschweig gehören: Inhibitoren von Aktin unterbinden diese dynamischen Verhaltensweisen. Die HZI-Forschenden stellten hierfür eine Sammlung von in einem DFG-Projekt vorcharakterisierten Cytochalasanen zur Verfügung. Die in dieser Studie erzielten Ergebnisse sprechen für eine zentrale Rolle eines aktinbasierten Zellskeletts, also jener grundlegenden zellulären Maschinerie, die auch in menschlichen Zellen Formveränderungen und Bewegungen steuert.
Spannende evolutionäre Perspektive eröffnet
Die Entdeckung eröffnet eine spannende evolutionäre Perspektive: Ausgefeilte Zellbewegungen könnten viel ältere Wurzeln haben als bisher angenommen. Das ungewöhnliche Kriechverhalten von Asgard Archaeen wird Einblicke in zelluläre Innovationen geben, die bereits vor den ersten Eukaryonten entstanden sind und möglicherweise bereits in der uralten Symbiose, aus der später die Mitochondrien hervorgingen, relevant waren. Die neuen Resultate, insbesondere die sauerstofffreie Lebendzellmikroskopie, ermöglichen es nun, Modelle zur Entstehung komplexen Lebens erstmals empirisch zu testen.
