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+++ INFORMATION - Gravitationsbiologie +++

Gravitationsbiologie  [ Seite 4 ]



Nach diesen vielversprechenden Anfängen wagten wird es dann, Rhizoide auch während mehrtägiger Space Shuttle Flüge zu studieren. Wir konstruierten wieder mit Unterstützung von Dornier-Ingenieuren spezielle Behälter, in denen Rhizoide in Mikrogravitation kultiviert und von Astronauten chemisch fixiert werden sollten. Hier im Bild sind der Astronaut Grunsfield und unsere Chara-Rhizoide zu sehen, die im Licht des Spacehabs unter Mikrogravitationsbedingungen vor sich hinwuchsen.




Das Ergebnis: In Mikrogravitation wachsen Rhizoide ohne einen richtenden Beschleunigungsreiz zufällig in alle möglichen Richtungen aus. Sie unterscheiden sich nicht von Bodenkontrollen; sie haben die gleiche polare cytoplasmatische Organization. Sie zeigen auch keine Unterschiede auf ultrastrukturellem Level und besitzen die gleiche Anordnung der Cytoskelettelemente, die wir sorgfältig immuncytochemisch untersucht haben.

Merke: Die auf Schwerkraft-Wahrnehmung spezialisierten Zellen prägen auch ohne Schwerkraft ihre typische polare Zellorganisation aus. Sie folgen demnach einem genetisch festgelegten Programm für Entwicklung und Morphogenese, das selbst nicht durch Schwerkraft beeinflußt wird.

Der einzige Unterschied zwischen 1g- und Mikrogravitations-Rhizoiden besteht in der Position ihrer Statolithen, die wir uns im nächsten Bild etwas genauer ansehen.




Vergleichen wir die Statolithenpositionen nach 6-min Mikrogravitationsphase von TEXUS-Flügen mit denen von Rhizoiden, die mehr als 30 h in Mikrogravitation waren (während der IML-2 Space Shuttle-Mission), so stellen wir fest, daß sie erstaunlich ähnlich sind. Die Statolithenkomplexe sind nach 30 h durch die Eigenbewegungen der Statolithen lediglich stärker aufgelockert. Das kann nur bedeuten, daß die Statolithen recht schnell eine neue dynamisch stabile Position eingenommen haben. Den Beweis dafür lieferte uns ein MAXUS-Flug mit 13 min Mikrogravitation. Die beiden mit Sternchen gekennzeichneten Kinetiken zeigen die Statolithenverlagerung im Verlauf von TEXUS-Flügen. Wir erkennen eine recht schnelle basipetale Verlagerung während der 6 min Mikrogravitationsphase. Der 13-min MAXUS-Flug ergab nun ebenfalls eine schnelle Verlagerung während der ersten 6 min, danach aber wurden die Statolithen kaum noch verlagert. Die Statolithen sind also tatsächlich bereits nach ca. 6 min in einer neuen dynamisch stabilen Position. Das Wichtige ist, daß sie hier noch durch Beschleunigungen verlagerbar sind. Lägen sie noch weiter von der Zellspitze entfernt, könnten sie bei eventuell auftretenden Beschleunigungen nicht mehr sedimentieren. Rhizoide würden also ihre Fähigkeit zur Wahrnehmung von Beschleunigungen verlieren. Das ist nicht der Fall.




Eine weitere grundsätzliche Frage, die wir auch nur auschließlich mit Hilfe der Mikrogravitation beantworten können, ist:

Wie sensibel reagieren die Rhizoide auf Beschleunigungen?
Wie hoch ist die Empfindlichkeit, die Gravisensitivität der zellulären Mechanismen unseres Gravisensors?
Mit Hilfe eines Zentrifugenmikroskops (NIZEMI) wurden seitlich gerichtete Beschleunigungen von 0.1-0.5g in Mikrogravitation an Bord des Space Shuttles Columbia verabreicht (IML-2 Mission). Beschleunigungen von 0.3g führen noch zu einer deutlichen Statolithensedimentation und später zu einer Krümmungsreaktion. Wir haben mittlerweile die ersten zarten Hinweise, daß der Schwellenwert, unterhalb dessen die Statolithen nicht mehr sedimentieren und auch keine gravitrope Reaktion auslösen, vermutlich sehr nahe bei 0.1g liegt. Dieser Wert paßt sehr gut zur den Schwellenwerten, die man für einige andere Organismen bestimmt hat. Wir haben also mit Hilfe der Methode Mikrogravitation einiges über unseren Gravisensor gelernt. Auf die eigentlichen zellulären und molekularen Mechanismen der gegensätzlich gravitropen Reaktionen, die wir mit Hilfe einer Vielzahl von sehr normalen zellbiologischen Methoden untersucht haben, kann an dieser Stelle nicht ausführlich eingegangen werden; einige wichtige Ergebnisse sollen aber dennoch kurz erwähnt werden.




Hier dargestellt sind die gravitropen Antworten von Rhizoiden und Protonemen. In der letzen Reihe ist ein Experiment dargestellt in dem wir versucht haben, die Sedimentation, wie sie im Protonema stattfindet, im Rhizoid zu simulieren. Die Statolithen eines Rhizoids wurden durch Zentrifugation oder auch mit der Laserpinzette (auf die Methode soll hier nicht näher eingegangen werden) asymmetrisch in die Zellspitze gedrückt und siehe da: das Rhizoid reagiert wie ein Protonema - negativ gravitrop. Umgekehrt funktioniert es dagegen nicht, Wenn wir die Statolithen eines Protonemas einfach an eine Flanke drücken (Statolithensedimentation, wie sie bei Rhizoiden vorkommt), kommt es nicht zu einer rhizoidähnlichen, positiv gravitropen Krümmung, d.h. die Plasmamembran der subapikalen Zellflanke eines Protonema ignoriert die Anwesenheit der Statolithen.




Unserer Hypothesen zu den gravitropen Mechanismen sind hier vereinfacht zusammengefaßt. Im Rhizoid wird eine Krümmung nach Statolithensedimentation lediglich durch unter-schiedliche Zellwandstreckung der gegenüberliegenden Flanken bewirkt (differentielles Flankenwachstum durch Exocytosehemmung auf der unteren Zellflanke). Der Spitzenkörper bzw. das Wachstumszentrum an der Zellspitze bleiben stabil in der äußersten Zellspitze verankert und sind primär an der Krümmungs-reaktion nicht beteiligt. Beim Protonema dagegen scheint der Spitzenkörper weniger stabil verankert zu sein und die Einwanderung der sedimentierenden Statolithen führt zu einer Verlagerung des gesamten Spitzenkörpers und damit auch zu einer Verlagerung des Wachstumszentrums nach oben. Das bedeutet: die Spitze als Ort der maximalen Exocytose wird zur oberen Flanke hin verlagert. In Rhizoiden kann man, wie wir gesehen haben, diese Verankerungskräfte nur durch Zentrifugation oder mit der Laserpinzette überwinden und bekommt dann die gleiche Reaktion. Es sind also unterschiedliche Transport- und Verankerungseigenschaften des Aktins, die eine zentrale Rolle beim gegensätzlichen Gravitropismus spielen. Wir haben bereits einige sehr konkrete Hinweise darauf, wie diese Verlagerung des Wachstumszentrums funktionieren könnte: Ein steiler Calciumgradient wurde beim Krümmungswachstum des Rhizoide stets symmetrisch in dessen sich nach unten neigender Spitze lokalisiert. Dagegen wird bereits nach wenigen min nach Horizontallegen eines Protonemas dieser Calcium-Gradient recht schnell zur oberen Flanke hin verlagert. Erst danach kommt es dort zur Umorientierung der Zellspitze nach oben. Verantwortlich für den Calciumgradienten sind Calcium-Kanäle, die normalerweise symmetrisch in der Zellspitze lokalisiert sind, ihre größte Dichte findet sich an der äußersten Zellspitze. Die primäre Wirkung der spitzennahen Statolithensedimentation in Protonemen könnte eine Änderung des Membranpotentials sein. Diese Membranpotentialänderung hat eine bereits nachgewiesene Verlagerung der Calciumkanalaktivität zur oberen Flanke zur Folge, was vermutlich durch Inaktivierung von Kanälen auf der unteren Flanke und zusätzliche Reaktivierung von Kanälen der oberen Flanke erreicht wird. Somit kommt es dort zu einem erhöhten Calcium-Einstrom. Die calciumabhängige Aktivierung von membranständigen Cytoskelett-assoziierten Motorproteinen (Myosinen) könnte dann zu einer ensprechenden Verlagerung des Spitzenkörpers und somit auch des Wachstumszentrums nach oben führen. Es entsteht eine Ausbeulung (bulge) auf der oberen Flanke, und die Zelle wächst mit einem scharfen Knick nach oben weiter. Wir müssen es in diesem Rahmen bei dieser stark vereinfachten Darstellung der Mechanismen und Funktions-weise unserer Gravisensoren, Chara-Rhizoid und -Protonema, belassen. Es ist aber durchaus beabsichtigt, dem Leser einen Eindruck davon zu vermitteln, wie komplex die Zusammenhänge sind und wie kompliziert das Zusammenspiel vieler molekularer und physiologischer Faktoren ist. Forschung im Weltraum liefert einen vielleicht kleinen, aber doch einzigartigen Beitrag zur Aufklärung derartiger biologischer Prozesse, die für das Leben auf der Erde und speziell auch für uns Menschen von großer Bedeutung sind.




Dieses Bild aus dem 19. Jahrhundert soll abschließend noch einmal ganz deutlich machen, daß wir eben nicht nach den Sternen greifen möchten, daß wir nicht mit dem Kopf in den Wolken hängen, daß Forschung in Schwerelosigkeit nicht Selbstzweck ist, sondern daß wir die Mikrogravitation als eine wichtige Methode von vielen einsetzen, um zu einem umfassenden Verständnis der sehr realen, sehr irdischen, für uns Menschen sehr bedeutsamen Mechanismen biologischer Schwerkraftwahrnehmung und -orientierung zu gelangen.

(Markus Braun, Bonn, den 09.02.01)



Danke für die Unterstützung:

DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt), das unsere Arbeit durch langjährige Projektfinanzierung erst ermöglicht hat.
ESA (European Space Agency)
SSC (Swedish Space Corporation)
NASA (National Aeronautics and Space Agency)


Dankbar sind wir aber auch den nimmermüden Teams von

- ehemals ERNO, jetzt Astrium
- Biorack (ESA, ESTEC)
- Bionetics (Kennedy-Space Center)
- Moraba (Mobile Raketenbasis des DLR)
- Dornier (jetzt Astrium)




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