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RNA-Schalter der nächsten Generation: Forschende entwickeln mit KI synthetischen NAND-Schalter in lebenden Zellen

Wed, 11 Mar 2026 12:02:08 +0100

Die digitalen RNA-Schalter basieren auf sogenannten Riboswitches: RNA-Sequenzen, die auf bestimmte kleine Moleküle („Liganden“) reagieren können. Als Teil einer mRNA können sie deren Übersetzung in ein Protein regulieren. Bindet der Ligand, ändert sich die Form der RNA und erzeugt dadurch eine Blockade für das protein-erzeugende Ribosom.

Besonders attraktiv sind Riboswitches, weil sie ohne zusätzliche Proteine funktionieren, sehr klein sind (unter 100 Nukleotide), ihre Erzeugung kaum Energie benötigt und damit der Zelle wenig Stoffwechselbelastung aufbürdet. Damit eignen sie sich hervorragend als Werkzeuge für synthetische Genregulation. Dr. Daniel Kelvin, Mitarbeiter im Centre for Synthetic Biology der TU Darmstadt, konnte zeigen, dass die nahtlose Verbindung zweier Riboswitches die Erzeugung von genetischen Schaltelementen mit zwei verschiedenen Inputs ermöglicht.

"Wir nutzen diese auf RNA basierenden Dual-Input-Schalter, um logische Funktionen wie im Computer in lebenden Zellen zu realisieren“, so Kelvin. „Dafür haben wir eine Kombination aus zwei Riboswitches konstruiert, die wie ein boolesches NAND-Gatter funktioniert." In der Digitaltechnik liefert ein NAND-Gatter nur dann ein „Aus“, wenn beide Eingaben „An“ sind – in allen anderen Fällen bleibt das Signal „Ein“. Übertragen auf die Biologie bedeutet das: Nur wenn beide Liganden gleichzeitig an den Riboswitch binden, wird die Genexpression abgeschaltet. Fehlt auch nur einer der beiden Liganden, bleibt das Gen aktiv. Ein solches Verhalten ist komplex und bisher in der Natur nicht bekannt. Hinzu kommt, dass die Anzahl unterschiedlicher Sequenzvarianten exponentiell mit der Sequenzlänge wächst. Die Konstruktion dieses hybriden NAND Riboswitch war daher eine große Herausforderung. Mit Hilfe einer Kombination aus Hochdurchsatz-Laborscreening und Bayesscher Optimierung, einem speziellen KI-Verfahren, wurde ein NAND-Gatter anhand von Computermodellen neu entworfen.

Zunächst wurde ein Hybrid-Riboswitch konstruiert, der ansatzweise NAND‑ähnliches Verhalten zeigte und damit eine RNA‑Variantenbibliothek erzeugt.
Dabei wurden tausende Varianten des Hybrid-Riboswitch hergestellt, insbesondere im zentralen „Kommunikationsmodul“, das die beiden Bindetaschen der RNA-Moleküle verbindet. Diese wurden per Durchflusszytometrie getestet und das Verhalten bei unterschiedlichen Liganden-Kombinationen präzise vermessen.
Erik Kubaczka, ebenfalls Mitarbeiter im Centre for Synthetic Biology, erklärt: "Im Anschluss sagt ein Deep-Learning-Modell voraus, welche RNA-Varianten die NAND-Funktion am besten erfüllt. Unser Optimierungsalgorithmus basierend auf Bayes’scher Optimierung wählt dann gezielt neue Kandidaten aus – und lernt mit jedem Experiment dazu."

Dabei ist wichtig, dass die Methode in einem Schritt mehrere Riboswitch-Varianten vorschlägt, um so mehrere Experimente gleichzeitig durchführen zu können und die experimentelle Effizienz zu steigern. Dafür haben die Forschenden die Methode des Kriging Believer innerhalb der ansonsten sequentiellen Bayes’schen Optimierung verwendet. Anstatt nach einem Vorschlag die experimentellen Daten für den nächsten Vorschlag abzuwarten, werden die aktuellen Modellvorhersagen in das Modelltraining integriert. Die nächste Riboswitch-Variante wird dann im Kontext der bereits ausgewählten Varianten selektiert. Der Kriging Believer Ansatz stellt sicher, dass nicht zu ähnliche Sequenzen ausgewählt werden, wodurch das Modell nicht viel lernen würde.
Nach nur 82 getesteten Varianten fand das System mehrere stark optimierte Riboswitches. Der beste Kandidat zeigte eine annähernd digitale NAND-Funktion: eine sehr klare Trennung zwischen „An“- und „Aus“-Zustand.

Zellen lernen, logische Entscheidungen zu treffen

Die Entwicklung eines gut funktionierenden NAND‑Riboswitches gilt als Meilenstein, weil aus NAND‑Gattern alle logischen Funktionen (wie AND, OR, XOR und weitere) aufgebaut werden können. In lebenden Zellen eröffnet das neue Perspektiven: Zellen können lernen, logische Entscheidungen zu treffen – etwa, nur dann ein Produkt herzustellen, wenn bestimmte Kombinationen von Nährstoffen oder Signalmolekülen vorhanden sind. Außerdem können so Biosensoren für Medizin und Umwelt hergestellt werden die beispielsweise bestimmte Stoffwechselzustände erkennen, Tumor-Signaturen identifizieren oder Umweltgifte nur in bestimmten Kombinationen melden.

Mit dem neuen Hybrid-Riboswitch und dem KI-basierten Entwurfsverfahren stellt das Team um TU-Professorin Beatrix Süß (Centre for Synthetic Biology, Arbeitsgebiet Synthetic RNA Biology) und Professor Heinz Koeppl (Centre for Synthetic Biology, Arbeitsgebiet Selbstorganisierende Systeme) eine Plattform bereit, die die Konstruktion genetischer Schaltungen wesentlich beschleunigt. Sie kann künftig dafür genutzt werden, Zellen noch gezielter als Werkzeuge in Medizin, Umwelttechnik oder industrieller Biotechnologie einzusetzen. Das Projekt zeigt eindrucksvoll, wie Biologie und künstliche Intelligenz zusammenwachsen – und wie maschinelles Lernen hilft, neue funktionale RNA-Elemente zu entdecken, die die Natur selbst nie hervorgebracht hat.

TU Darmstadt

Originalpublikation:

Daniel Kelvin, Erik Kubaczka, Marianna Karava, Heinz Koeppl, Beatrix Suess, Iterative design of a NAND hybrid riboswitch by deep batch Bayesian optimization, Nucleic Acids Research, Volume 54, Issue 5, 24 March 2026, gkag145, https://doi.org/10.1093/nar/gkag145

Wie klimafreundlich ist Insektenprotein wirklich?

Wed, 11 Mar 2026 11:10:57 +0100

Eine neue Studie des Forschungsinstituts für Nutztierbiologie (FBN) nähert sich dieser Frage erstmals systematisch. Die Forschenden untersuchten, wie sich Qualität und Nährstoffzusammensetzung der verfütterten Biomasse auf Wachstum, Körperzusammensetzung und Gasemissionen der Larven auswirken. Die kontinuierlichen Messungen der Gasemissionen von Kohlendioxid und Ammoniak erfolgten dabei in einer sensiblen Phase der Larvenentwicklung, nämlich zwischen dem 9. und 16. Tag nach dem Schlupf.

Wachstum, Emissionen und die Frage der richtigen Bezugsgröße

Die Ergebnisse zeigen: Das Profil der Gasemissionen hängt maßgeblich von der Qualität und der Nährstoffverfügbarkeit der verfütterten Biomasse ab. Je geringer die Verdaulichkeit und Abbaubarkeit des Futtersubstrats sind, desto geringer fällt das Wachstum und der Proteinansatz der Larven aus – und desto höher ist die CO₂-Emission. Larven wachsen erwartungsgemäß deutlich besser, wenn sie mit nährstoffreicherer Biomasse gefüttert werden. Gleichzeitig können unter diesen Bedingungen gegen Ende der Wachstumsphase erhöhte Ammoniakemissionen auftreten. Diese stehen vermutlich im Zusammenhang mit einem unausgewogenen Protein-Energie-Verhältnis im Futtersubstrat gegen Ende der Wachstumsphase. Entscheidend ist jedoch, wie diese Emissionen bewertet werden.

„Emissionen lassen sich nur sinnvoll einordnen, wenn sie auf den tatsächlichen Output bezogen werden – etwa auf den Proteinansatz oder die Trockenmasse der Larven“, erklärt PD Dr. Manfred Mielenz von der Arbeitsgruppe Ernährungsphysiologie am FBN. „Höhere absolute Emissionen bedeuten nicht zwangsläufig eine schlechtere Klimabilanz, wenn die Emissionen je Einheit des erzeugten hochwertigen Proteins geringer sind.“

Für eine abschließende Bewertung der Emissionen ist jedoch eine Betrachtung des gesamten Lebenszyklus erforderlich. Dazu zählen neben der Aufzucht der Larven auch die Produktion der Futtersubstrate sowie der Umgang mit verbleibenden Reststoffen am Ende der Wachstumsphase.

Erste Orientierung für die Bewertung von Insektenprotein

Die Studie liefert nicht nur wichtige quantitative Emissionsdaten, sondern auch Hinweise darauf, wie der Nährstoffgehalt der Futtersubstrate gezielt optimiert werden kann, um Emissionen zu verringern und die Effizienz der Insektenproduktion weiter zu verbessern.

In einer ersten vergleichenden Betrachtung liegen die CO₂-Emissionen bezogen auf die Proteinproduktion bei den Larven der Schwarzen Soldatenfliege unter den in der Literatur beschriebenen Werten für Rinder und Hühner. Die Autorinnen und Autoren betonen jedoch ausdrücklich, dass es sich hierbei um eine erste Schätzung handelt und weiterführende Untersuchungen erforderlich sind.

Vor dem Hintergrund nationaler Klimaziele, der Deutschen Bioökonomiestrategie sowie europäischer Farm-to-Fork-Ansätze unterstreicht die Studie: Neue Produktionssysteme benötigen belastbare und vergleichbare Kennzahlen. Die vorliegenden Ergebnisse liefern hierfür eine erste wissenschaftliche Orientierung, ersetzen jedoch keine umfassenden Lebenszyklusanalysen. Die Integration von Insekten in bestehende Produktionssysteme kann jedoch dazu beitragen, die Erzeugung hochwertigen tierischen Proteins perspektivisch nachhaltiger zu gestalten.

Das Forschungsinstitut für Nutztierbiologie wird die Insektenforschung auch künftig weiter vorantreiben, um die Umweltwirkungen neuer Proteinquellen fundiert zu bewerten und ihre nachhaltige Nutzung wissenschaftlich zu begleiten.

Forschungsinstitut für Nutztierbiologie

Originalpublikation:

Manfred Mielenz et al.: Energy and nutrient composition and origin of common feed substrates for black soldier fly larvae determine their efficiency and life-stage-specific carbon dioxide and ammonia production, Bioresource Technology, Volume 443, 2026, 133812, ISSN 0960-8524, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2025.133812.

Citizen-Science-Studie zeigt: Der Mäusebussard verliert seine Farbvielfalt

Wed, 11 Mar 2026 11:03:04 +0100

Der Mäusebussard ist einer der bekanntesten Raubvögel Europas. Wir können ihn oft beobachten, wie er auf Zaunpfählen nach Mäusen oder Würmern Ausschau hält oder während der Balzzeit spektakuläre Sturzflüge über Feldern vorführt. Im Französischen trägt er den Namen buse variable, also „variabler Bussard”, was darauf zurückzuführen ist, dass seine Gefiederfärbung sehr vielfältig ist und von hell bis dunkel reicht. Dies hat schon dazu geführt, dass einige Individuen für andere Arten gehalten wurden. Seit Jahren protokollieren Naturliebhaber in ganz Europa ihre Bussard-Sichtungen online. Mithilfe dieser Aufzeichnungen ist es Forschenden des Max-Planck-Instituts für biologische Intelligenz und ihren Kooperationspartnern nun gelungen, die erste kontinentweite Karte der Gefiederfärbung des Bussards zu erstellen und nachzuverfolgen, wie sie sich verändert.

Eine Karte der Gefiederfärbung

Im gesamten Tierreich erfüllt Farbe viele Zwecke – sie spielt eine Rolle bei der Tarnung, der Thermoregulierung oder der Balz. Selbst innerhalb einer einzigen Art kann es große farbliche Unterschiede geben. Einige ökologische Theorien sagen bestimmte Färbungsmuster voraus: Dunkleres Gefieder beispielsweise in Wäldern zur Tarnung und in kälteren Regionen zur Absorption der Sonnenwärme. Ob diese Theorien aber auch die Farbvariationen beim Mäusebussard erklären können, war bisher nicht bekannt.

Die nun veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass hellere Mäusebussarde eher in Nord- und Mitteleuropa zu finden sind, während dunklere Vögel häufiger in der Bretagne und auf der Iberischen Halbinsel vorkommen. Die Zwischenform, eine weder besonders dunkle noch besonders helle Färbung, ist am häufigsten in Südosteuropa und auf den Britischen Inseln anzutreffen. Dies entspricht einem geografischen Mosaik, das nur lose mit den untersuchten Umweltfaktoren zusammenhängt.

„Interessanterweise konnten die von uns getesteten ökologischen Theorien die Farbvariationen bei Mäusebussarden nur in sehr geringem Maße erklären. So waren beispielsweise hellere Vögel eher in kälteren Regionen vorherrschend und nicht in wärmeren“, sagt Kaspar Delhey, Erstautor der Studie und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz. „Die Farbe des Mäusebussards wird vererbt, sodass diese Muster stattdessen eher widerspiegeln könnten, wie der Mäusebussard nach der letzten Eiszeit Europa besiedelt hat. Es könnten auch noch nicht identifizierte ökologischen Faktoren eine Rolle spielen – oder auch beides. Der Mäusebussard ist einer der am weitesten verbreiteten und farblich variabelsten Vögel Europas. Er ist daher ein aussagekräftiges Modell, um zu verstehen, wie eine solche Vielfalt in wildlebenden Populationen erhalten bleibt oder verloren geht. Die Beobachtungen aus der Bevölkerung liefern eine unglaubliche Quelle an Informationen, um diesen Fragen auf den Grund zu gehen.“

Abnehmende Vielfalt

Die Studie vereint Beobachtungen von Bürger*innen aus verschiedenen Quellen, darunter ein von den Forschenden Elena Kappers und Bart Kempenaers speziell entwickeltes Portal. Dort konnten Beobachtende die Farbe von Bussarden auf einer Sieben-Punkte-Skala von hell bis dunkel bewerten. Zudem analysierte das Team die Farbe von Tausenden weiterer Bussard-Fotos, die von der Öffentlichkeit auf Online-Plattformen wie iNaturalist, Observation.org und Ornitho.it bereitgestellt wurden – und stellte so einen Datensatz mit fast 100.000 Beobachtungen zusammen, der mehr als zwei Jahrzehnte zurückreicht. Das Team verglich die Sichtungen mit Satellitendaten zu Klima, Vegetation und Boden und erstellte statistische und räumliche Modelle, um die Ergebnisse zu interpretieren.

Mit diesem Ansatz konnten die Wissenschaftler*innen verfolgen, wie sich die Färbung im Laufe der Zeit verändert hat. Frühere örtlich begrenzte Studien hatten gezeigt, dass Bussarde mit mittlerer Färbung tendenziell fitter sind, bessere Überlebenschancen haben und mehr Nachkommen zeugen als Vögel mit sehr heller oder dunkler Färbung. Die Analyse der europaweiten Daten spiegelt diese Ergebnisse wider. 2022 machten Bussarde mit mittlerer Färbung einen deutlich größeren Anteil der europäischen Population aus als im Jahr 2000, während der Anteil dunkler und heller Vögel um 22 bzw. 14 Prozent zurückging – ein Zeichen dafür, dass die Vielfalt, die dem französischen Namen des Vogels zu Grunde liegt, immer mehr verschwindet.

„Wir haben zwar einige Zusammenhänge zwischen Umweltveränderungen wie dem Rückgang der Bewaldung festgestellt, aber diese erklären nur einen Teil der Ergebnisse“, sagt Bart Kempenaers, Leiter der Abteilung Ornithologie am Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz. „Wenn der Verlust an Farbvielfalt einen Verlust an genetischer Variation widerspiegelt, könnte dies die Anpassungsfähigkeit der Mäusebussarde an künftige Umweltveränderungen beeinträchtigen. Die Entschlüsselung der historischen, genetischen und ökologischen Faktoren, die hinter dem Verlust der Farbvielfalt stehen, sowie der Frage, wie sich die Färbung auf die Fitness auswirkt, muss nun Priorität haben. Dabei bieten Genomik und Museumspräparate die Möglichkeit, sowohl die lange Geschichte der Art als auch die genetischen Folgen des aktuellen Verlusts an Vielfalt zu erforschen. Was mich an der Studie jedoch am meisten begeistert, ist zu sehen, was Citizen Science ermöglicht: eine großartige Zusammenarbeit, die uns Fragen erforschen lässt, die sonst unerreichbar wären.“

MPI für biologische Intelligenz

Originalpublikation:

Kaspar Delhey, Elena F. Kappers, Mihai Valcu, Christiaan Both, Bart Kempenaers: Environmental correlates of spatio-temporal patterns of colour variation in a bird of prey: The common buzzard (Buteo buteo), IBIS - International journal of avian science, 7. March 2026, https://doi.org/10.1111/ibi.70041

Ein neuer "molekularer Schalter" für angeborene Immunität identifiziert

Tue, 10 Mar 2026 12:57:00 +0100

Sensoren des angeborenen Immunsystems – sogenannte Mustererkennungsrezeptoren (Pattern Recognition Receptors; PRRs) – erkennen spezifische molekulare Bestandteile von bakteriellen oder viralen Eindringlingen. Diese Rezeptoren leiten Signale weiter, die zur Produktion von Interferonen führen, welche anschließend die Immunzellen steuern. Der genaue Mechanismus der Signalweiterleitung blieb bislang allerdings ungeklärt.

In einer neuen Studie hat ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Eva Rieser und Professor Henning Walczak von der Universität zu Köln gezeigt, dass das Enzym ANKIB1 für den Prozess der angeborenen Immunsignalisierung entscheidend ist. Die Studie zeigt, dass ANKIB1 sogenannte Lysin-11 (K11)-verbunde Ubiquitinketten (K11-Ubiquitin) katalysiert, eine hochspezifische molekulare Modifikation, die als Plattform für den Zusammenbau der Maschinerie dient, die wichtige antivirale Botenstoffe des Körpers, Interferone des Typ I und Typ III, aktiviert. Die Studie “Lysine 11-ubiquitination drives Type-I/III Interferon induction by cGAS-STING and Toll-Like Receptors 3 and 4” wurde in Nature Cell Biology veröffentlicht.

Die Forschungsergebnisse lösen ein lange bestehendes Rätsel der angeborenen Immunität und eröffnen neue Perspektiven für die Entwicklung innovativer Therapien gegen verschiedene schwerwiegende Erkrankungen. „Wir haben herausgefunden, dass ANKIB1 darüber entscheidet, wann der Wecker für Immunzellen klingelt und auch, wie laut dieser Weckruf ist“, sagt Henning Walczak, Alexander-von-Humboldt-Professor für Biochemie und Direktor des Instituts für Biochemie I der Medizinischen Fakultät der Universität zu Köln sowie Arbeitsgruppenleiter am Exzellenzcluster für Alternsforschung CECAD und am Cancer Institute des University College London. „Mit K63- und M1-Ubiquitin waren bisher nur zwei Buchstaben des Ubiquitin-Signalcodes bekannt. Mit der Entdeckung von K11-Ubiquitin als dritten Buchstaben des Ubiquitin-Alphabets sind wir der Entschlüsselung des Ubiquitin-Codes der zellulären Signalübertragung nun einen entscheidenden Schritt nähergekommen“, sagt Dr. Eva Rieser, Biochemikerin und Immunologin am Institut für Biochemie der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität zu Köln.

In Experimenten mit Zellkulturen und Tiermodellen bestätigten die Forscher*innen, dass die neu entdeckte Signalachse ANKIB1–K11-Ubiquitin–OPTN–TBK1–IRF3 für die Alarmierung des Immunsystems bei Virusinfektionen entscheidend ist. Das Team fand heraus, dass ANKIB1 für die Bekämpfung einer Infektion mit dem Herpes-Simplex-Virus I, dem Erreger von Lippenbläschen, unerlässlich ist. Fehlt es, können Mäuse nicht das Interferon produzieren, das notwendig ist, um das Immunsystem zu alarmieren, damit es die Infektion bekämpfen kann. Die Folgen sind drastisch: Dieses sonst eher harmlose Virus führt zum Tod der Mäuse.

Ein Überschuss an Interferon ist jedoch für eine Reihe schwerer Entzündungskrankheiten verantwortlich. Bemerkenswerterweise überlebten Mäuse ohne ANKIB1 in einem In-vivo-Modell einer solchen Interferonopathie eine ansonsten tödliche Entzündung. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass ANKIB1 eine zentrale Rolle bei sowohl physiologisch notwendigen als auch pathologischen Interferonreaktionen spielt.

Verstärkung des Immunangriffs auf Krebs

„Obwohl die Arbeit auf grundlegenden biochemischen und immunologischen Erkenntnissen beruht, hat sie auch wichtige Auswirkungen auf Krebserkrankungen, da diese Signalkaskade für den Dialog zwischen Tumor- und Immunzellen von zentraler Bedeutung ist“, sagt Professor Julian Pardo vom Aragón Health Research Institute, CIBERINFEC und der Universität Zaragoza in Spanien, der an dieser Studie mitgewirkt hat. Viele Tumore nutzen die chronische Aktivierung angeborener Immunwege – insbesondere der durch cGAS-STING und verschiedene TLRs ausgelösten Signalwege – zu ihrem Vorteil. Dadurch entsteht eine chronische Entzündung in dem Ökosystem, in dem sich die Krebszellen befinden, so dass ein wirksamer Immunangriff auf den Krebs gedämpft oder sogar verhindert wird.

Die Identifizierung von ANKIB1 und K11-Ubiquitin als zentrale Faktoren der Interferoninduktion durch diese Immunrezeptoren eröffnet neue Ansätze zum Verständnis, wie Krebszellen diese Signalwege zu ihrem Vorteil regulieren und wie dieses Gleichgewicht therapeutisch wiederhergestellt werden könnte. Die Steuerung der ANKIB1-Aktivität könnte grundsätzlich dazu beitragen, das Immunsystem innerhalb von Tumoren „umzuprogrammieren“, indem entweder die Interferonreaktionen zur Unterstützung der Immuntherapie verstärkt oder übermäßige Entzündungen, die zu einer Erschöpfung des Immunsystems und zu Gewebeschäden führen, eingedämmt werden.

Ein neuer Ansatzpunkt für entzündliche neurologische Erkrankungen

Chronische, niedrig gradige Aktivierung von Sensoren des angeborenen Immunsystems im Gehirn gilt zudem als ein gemeinsames Merkmal neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson, bei denen die Interferon-Signale nachweislich den Entzündungsprozess im Gehirn und dadurch den Verlust von Nervenzellen fördern. Die Studie zeigt, dass ANKIB1 und K11-Ubiquitin als Regulatoren dieser Interferonwege fungieren, und bietet damit einen konzeptionellen Rahmen zu verstehen, wie Entzündungssignale im Gehirn synchronisiert werden und wie eine abweichende Interferonproduktion Neurodegeneration begünstigt.

„Durch die präzise Identifizierung des Ubiquitinkettentyps und des Enzyms, das diesen erzeugt, wird eine komplexe Immunkaskade in einen klar definierten, therapeutisch angreifbaren Prozess überführt“, erklärt Walczak. Diese Erkenntnis könnte sowohl die Entwicklung neuer Therapien als auch deren Anwendung in der klinischen Praxis für zahlreiche Krankheiten ermöglichen. Anstatt das Immunsystem global zu unterdrücken, was zu einer Abschaltung aller wesentlichen Abwehrmechanismen des Wirts führen würde, würde die Hemmung der katalytischen Aktivität von ANKIB1 oder die Förderung seines Abbaus ausreichen, um Erkrankungen zu behandeln, die durch einen Überschuss an Interferon Entzündungen oder Autoimmunreaktionen hervorrufen. Gleichzeitig könnte die vorübergehende Steigerung der ANKIB1-Aktivität oder die Stabilisierung von K11-Ubiquitin in Situationen eingesetzt werden, in denen das Immunsystem stärker gegen Viren oder Krebszellen aktiviert werden soll.

Diese Arbeit ist das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen von Professor Julian Pardo in Zaragoza und Professor Antonio Alcamí vom Zentrum für Molekularbiologie Severo Ochoa des Spanischen Nationalen Forschungsrats (CSIC) in Madrid, sowie mit Professor Brian Ferguson von der Universität Cambridge, die entscheidende In-vivo- und In-vitro-Infektionsmodelle und virologisches Fachwissen beisteuerten.

Universität Köln

Originalpublikation:

Betrancourt, A., Cinko, M.T., Varanda, A.B. et al. Lysine-11 ubiquitination drives type-I/III interferon induction by cGAS–STING and Toll-like receptors 3 and 4. Nat Cell Biol (2026). doi.org/10.1038/s41556-026-01886-z

Ein Gen entscheidet: Durchbruch bei der Züchtung winterharter Ackerbohnen gelungen

Tue, 10 Mar 2026 12:03:45 +0100

Die Ackerbohne - auch Faba-Bohne genannt - ist eine alte Kulturpflanze. Sie ist besonders wertvoll, da sie viel Eiweiß enthält und Stickstoff aus der Luft im Boden binden kann. Das macht sie zu einer Alternative zu Soja, vor allem in Europa. Doch es gibt ein Problem: Viele Sorten sind nicht winterhart. In kalten Regionen überleben sie den Frost nicht.

In einem ersten Schritt gelang es dem internationalen Forschungsteam unter Beteiligung des IPK Leibniz-Instituts, das Referenzgenom der Ackerbohne deutlich zu verbessern. Mithilfe verschiedener Methoden, wie der optischen Kartierung, konnten die einzelnen Abschnitte des Genoms präziser zusammengesetzt werden. „Unsere neue Referenz des Ackerbohnen-Genoms ist ein präziser Bauplan: deutlich weniger Lücken, bessere Verankerung auf den sechs Chromosomen und eine verlässliche Grundlage für die Züchtung“, betonte Prof. Dr. Murukarthick Jayakodi, der bereits 2023 am IPK eine erste Referenz des Genoms erstellt hat. Auf dieser Grundlage untersuchten die Forscherinnen und Forscher in einem zweiten Schritt mehr als 400 Winter- und Sommerlinien und verglichen systematisch das entsprechende Erbgut.

Gleichzeitig führten sie sogenannte Assoziationsanalysen durch. Dabei wird geprüft, welche genetischen Unterschiede mit bestimmten Eigenschaften - in diesem Fall der Winterhärte - zusammenhängen. Zusätzlich untersuchten sie, welche Gene bei Kälte aktiviert werden. Besonders interessierten sie sich dabei für Gene, die in anderen Pflanzenarten bereits für Kälteresistenz bekannt sind.

„Wir waren überrascht zu sehen, dass ein einziges Allel an einem einzigen Genort ausreicht, um Winter- und Sommersorten klar zu trennen“, sagte Hailin Zhang, Erstautorin der Studie. Das ist vergleichbar mit einem Lichtschalter: Entweder ist er an, oder er ist aus. Je nach Variante dieses Gens ist die Pflanze winterhart - oder eben nicht.

Genau dieser Genort zeigte sich auch als stärkstes Signal in einer Analyse zur Winterhärte. Die dort liegenden Gene gehören zur Gruppe der CBF/DREB-Transkriptionsfaktoren. Das sind Schalter-Gene, die bei Kälte viele andere Schutzmechanismen aktivieren. „Wir konnten zeigen, dass diese Gene bei Kälte deutlich aktiviert werden. Das bestätigt, dass sie eine zentrale Rolle bei der Frosttoleranz spielen“, erklärte Hailin Zhang. Man kann sich diese Gene wie eine Art Notfallplan vorstellen. Sinkt die Temperatur, wird dieser Plan aktiviert und die Pflanze stellt sich auf Frost ein.

Doch nicht nur das: Derselbe Genort wurde auch mit stabilen Erträgen in unterschiedlichen Umwelten in Verbindung gebracht. „Dass derselbe Genort sowohl die Winterhärte als auch die Ertragsstabilität beeinflusst, war für uns eine besonders spannende Entdeckung“, sagte Dr. Martin Mascher, Leiter der Arbeitsgruppe „Domestikationsgenomik“ am IPK. Das heißt: Dieses eine genetische „Schaltzentrum“ hat gleich mehrere wichtige Effekte. Das neue Wissen kann die Züchtung robuster Winter-Ackerbohnen beschleunigen. Diese bringen in Europa fast 50 Prozent mehr Ertrag und reduzieren als heimische Eiweißquelle auch die Abhängigkeit von Importen.

Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung

Originalpublikation:

Zhang, H., Windhorst, A., Bornhofen, E. et al. Allelic variation at a single locus distinguishes spring and winter faba beans. Nat Genet (2026). doi.org/10.1038/s41588-026-02524-y

Wie soziale Erfahrungen das Verhalten prägen

Tue, 10 Mar 2026 11:33:47 +0100

Dr. Frederic Alexander Römschied, Gruppenleiter am European Neuroscience Institute Göttingen (ENI-G) – einer Kooperation der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) und des Max-Planck-Instituts für Multidisziplinäre Naturwissenschaften – hat in Zusammenarbeit mit Forschenden der Princeton University in New Jersey, USA, gezeigt, dass männliche Fruchtfliegen, ähnlich wie Menschen, ihr Verhalten flexibel an veränderte soziale Bedingungen anpassen können. Mit einem neuartigen Verfahren gelang es den Forschenden, das Verhalten interagierender Fliegen, auch entgegen ihrer natürlichen Instinkte, zu steuern. Dazu wurden die Nervenzellen der Fliegen genetisch so verändert, dass sie mittels LED-Licht gezielt angeschaltet werden können. Das Ergebnis: Verhält sich eine Fliege anders als gewohnt, lernt ihr Gegenüber aus dieser Erfahrung und entwickelt neue Verhaltensstrategien, um sich anzupassen.

„Wir können soziale Erfahrungen experimentell umschreiben und anschließend untersuchen, wie sich das Verhalten an diese Erfahrungen anpasst“, sagt Dr. Römschied, Erst- und Letztautor. „Damit schaffen wir die Grundlage, um zu verstehen, wie individuelle soziale Erlebnisse neuronale Prozesse langfristig beeinflussen, um Lernen aus sozialer Erfahrung zu ermöglichen. Diese Mechanismen sozialer Informationsverarbeitung sind auch für das Verständnis psychischer Erkrankungen von Bedeutung und könnten langfristig dazu beitragen, neue Behandlungsansätze zu entwickeln.“

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen fördern das Niedersächsische Ministerium für Wissenschaft und Kultur und die VolkswagenStiftung das Folgeprojekt „ethoLASR: Auf dem Weg zu einer Neuroethologie des Lernens in alternativen sozialen Realitäten“ mit mehr als 400.000 Euro für zwei Jahre. Ziel ist es, die neuronalen Grundlagen für die entdeckte Flexibilität des Sozialverhaltens zu entschlüsseln.

Das optogenetische Closed-Loop-Verfahren

Zur Erforschung der sozialen Interaktionen wurde eine neue Methode, das sogenannte optogenetische Closed-Loop-Verfahren, verwendet. Das Verfahren erlaubt es, das Verhalten genetisch veränderter und frei interagierender Fliegen in Echtzeit zu analysieren und ihre Reaktionen gezielt mit Licht zu beeinflussen. Die Grundlage dafür bildet das maschinelle Lernen, bei dem Computer darauf trainiert werden, aus aufgezeichneten Daten zu lernen, Muster zu erkennen und daraus Schlussfolgerungen abzuleiten. In dieser Studie wird maschinelles Lernen dazu verwendet, die Verhaltensweisen der Fliegen anhand der eingehenden Daten schnell zu erkennen. Dies ermöglicht die gezielte Beeinflussung der Tiere auf Basis ihres aktuellen Verhaltens in Echtzeit.

Konkret wurden Fliegenpaare, je eine männliche und eine weibliche Fliege, bei der Balz untersucht. Männliche Fliegen versuchen dabei durch „singen“ mit einem ihrer Flügel, das Weibchen zur Paarung zu bewegen. Die Nervenzellen des Weibchens, die für die Rückwärtsbewegung zuständig sind, sogenannte „Moonwalker“-Nervenzellen, wurden mit LED-Licht aktiviert und zwar jedes Mal, wenn das Männchen sang. Für das Männchen entsteht dadurch eine „alternative soziale Realität“, an die es sich anpassen muss, da sich das Weibchen nicht wie gewohnt bewegt.

Den Ansatz für dieses Verfahren hat Dr. Römschied während seiner Zeit als Postdoktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Mala Murthy an der Princeton University in New Jersey, USA, und ebenfalls Letztautorin der Studie entwickelt. In Göttingen wurde das Verfahren zu einem laserbasierten Closed-Loop-System weiterentwickelt, mit dem sich nun mehrere interagierende Tiere unabhängig voneinander beeinflussen lassen. Dies wurde unterstützt durch den Klaus Tschira Boost Fund.

Universitätsmedizin Göttingen - Georg-August-Universität

Originalpublikation:
Frederic A. Roemschied, Elise C. Ireland, Adam J. Calhoun, Minseung Choi, Osama M. Ahmed, Mala Murthy. Recent social experience alters song behavior in Drosophila. Current Biology (2026): DOI: 10.1016/j.cub.2026.02.003

Schlüsselprotein SYFO2 ermöglicht „Selbstdüngung“ von Hülsenfrüchten

Tue, 10 Mar 2026 11:08:50 +0100

Die meisten Pflanzen lassen pilzartige Mikroorganismen in ihre Wurzelzellen eindringen, stellen ihnen Kohlenhydrate bereit und werden im Gegenzug besser mit Nährstoffen und Wasser versorgt. Nur Hülsenfrüchte wie Erbsen, Bohnen und Klee gehen eine zusätzliche, für beide Seiten vorteilhafte Symbiose mit stickstofffixierenden Bodenbakterien ein. Die Allianz mit sogenannten Rhizobien ermöglicht es ihnen, sich selbst mit dem für ihr Wachstum wichtigen Stickstoff aus der Luft zu versorgen.

Forschende um Prof. Dr. Thomas Ott, Professor für Zellbiologie der Pflanze an der Fakultät für Biologie und Mitglied des Exzellenzclusters CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies, konnten im Rahmen des von der Organisation Gates Agricultural Innovations geförderten Projekts Enabling Nutrient Symbioses in Agriculture (ENSA) erstmals belegen: SYFO2, ein bislang wenig erforschtes Protein, das in den Wurzeln von Hülsenfrüchten und anderen Pflanzen vorkommt, spielt eine Schlüsselrolle bei der „Selbstdüngung“ von Hülsenfrüchten, da es Rhizobien ermöglicht, in die Wurzelzellen einzudringen. Sobald die Wurzelhaare der Pflanzen die Bakterien eingefangen haben, stößt SYFO2 den Umbau des Zellskeletts (Aktin-Zytoskelett) an – der entscheidende Schritt, damit Bakterien in die Wurzelzelle gelangen und diese im Inneren infizieren können. Infolge der Infektion bilden sich kleine Knöllchen entlang der Pflanzenwurzeln, in denen Rhizobien Stickstoff aus der Luft binden und für die Pflanze nutzbar machen.

Das internationale Team konnte diesen Prozess mithilfe einer Kombination aus bildgebenden, molekularbiologischen und genetischen Verfahren nachweisen. Darüber hinaus ist es den Wissenschaftler*innen gelungen, die tomateneigene Version von SYFO2 zu aktivieren, indem sie einen Regulationsfaktor der Wurzelknöllchensymbiose mit stickstofffixierenden Bakterien, den Transkriptionsfaktor NIN, einbrachten.

Die Studie mit dem Titel Nanodomain-localized formin gates symbiotic microbial entry in legume and solanaceous plants erweitert das Verständnis darüber, wie tomateneigene Symbiose-Gene gesteuert werden können. Sie legt den Grundstein für zukünftige Bemühungen, die nützlichen Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Rhizobien zu verbessern und die Fähigkeit zur Stickstofffixierung auf Nutzpflanzen zu übertragen – mit dem langfristigen Ziel, den Bedarf an Düngemitteln zu reduzieren. Die Forschungsergebnisse sind im Fachmagazin Science erschienen.

Grundlage für Schlüsselprozess identifiziert

„Die meisten Hülsenfrüchte haben ausgeklügelte Mechanismen entwickelt, um symbiotischen Bakterien den Eintritt in die Zelle zu ermöglichen“, sagt Ott. „In dieser Studie haben wir die molekulare Grundlage für einen Schlüsselprozess identifiziert, bei dem die Pflanze vom ‚Einfangen der Bakterien‘ zum ‚Öffnen der Tür‘ für sie übergeht.“ Die Arbeit wurde zusätzlich von CIBSS-Forscher Prof. Dr. Robert Grosse, Direktor des Instituts für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie an der Medizinischen Fakultät und CIBSS-Mitglied, unterstützt.

Ferner konnten die Forschenden zeigen, dass SYFO2 bei einigen Pflanzen, die keine Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien eingehen, für die Entstehung der häufigsten und evolutionär ältesten Form der Symbiose erforderlich ist: der Mykorrhiza-Symbiose zwischen Pflanzen und Pilzen. Vor diesem Hintergrund und mit Blick auf die erfolgreiche Aktivierung des Proteins in Tomatenpflanzen fasst Ott zusammen: „Dieses Ergebnis ist besonders interessant, weil es zeigt, dass Gene, die normalerweise an der Mykorrhiza-Symbiose beteiligt sind, auch dazu genutzt werden können, um eine bakterielle Stickstofffixierungssymbiose in Pflanzen zu ermöglichen.“

Universität Freiburg

Originalpublikation:

Lijin Qiao et al. (2026). Nanodomain-localized formin gates symbiotic microbial entry in legume and solanaceous plants. Science 391, 1036-1045. DOI:10.1126/science.adx8542

Neue Software für die Biodiversitätsforschung ermöglicht umfassende Quantifizierung ökologischer Stabilität

Mon, 09 Mar 2026 12:21:22 +0100

Intakte Ökosysteme haben die Fähigkeit zur Selbstregulation, die ihr komplexes Gefüge von Arten – etwa Tiere, Pflanzen, Pilze oder Bakterien – im Gleichgewicht halten: beispielsweise verringert sich die Pro-Kopf-Wachstumsrate, wenn die Population einer Art zunimmt, so dass das Populationswachstum im Zaum gehalten wird. Die ökologische Stabilität ist ein wichtiger Indikator dafür, wie gut die Selbstregulation funktioniert und wie „gesund“ Ökosysteme sind. Die Bemessung und Bewertung der Stabilität von Ökosystemen ist daher für Monitoring und Erhalt der biologischen Vielfalt von entscheidender Bedeutung.

Eine Quantifizierung ökologischer Stabilität ist jedoch aus drei Gründen nicht einfach. Erstens kann sie auf verschiedenen Ebenen der biologischen Organisation gemessen werden: von der Gesundheit und dem physiologischen Zustand einzelner Individuen über Populationen einzelner Arten bis hin zu Gemeinschaften mehrerer Arten, die miteinander interagieren und voneinander abhängig sein können. Zweitens kann sie anhand einer Vielzahl von Messgrößen gemessen werden, die verschiedene Ebenen der Dynamik des Systems (Individuen, Populationen oder Gemeinschaften) in verschiedenen Stadien der Reaktion auf Störungen erfassen. So kann die unmittelbare Reaktion des Systems auf eine Störung ein anderes Bild vermitteln als die langfristige Erholungsrate. Drittens wird die biologische Vielfalt derzeit von einer Vielzahl von Einflussfaktoren bedroht, so dass Arten gezwungen sind, sich an viele unterschiedliche Auswirkungen anzupassen. Einige Störungen wirken unmittelbar – so führt die Zerstörung von Lebensräumen durch Urbanisierung oder Landnutzungswandel direkt zum Tod oder zur Verdrängung von Individuen. Andere Störungen, wie der Klimawandel, beeinträchtigen die Überlebensfähigkeit von Arten eher über längere Zeiträume hinweg.
„Obwohl derartige Prozesse seit langem in der Wildtierbiologie und Ökologie wissenschaftlich beschrieben und analysiert werden, gibt es bislang noch keine Software, welche die Quantifizierung der ökologischen Stabilität unter Berücksichtigung all dieser Szenarien ermöglichte“, sagt Dr. Ludmilla Figueiredo, Daten- und Code-Kuratorin am Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig und Erstautorin des Aufsatzes. Damit schließe das neu entwickelte Software-Tool eine wichtige methodische Lücke in der Biodiversitätsforschung, so die Autor:innen.

Hohe Mathematik, praktisch nutzbar gemacht für die Biodiversitätsforschung

Das Paket „estar“ wurde für die in der ökologischen Forschung weit verbreitete Programmiersprache R entwickelt, einem kostenlosen Open-Source-Tool für statistische Analysen, Datenvisualisierung und maschinelles Lernen. Das Paket bietet Funktionen zur Berechnung von elf etablierten Ökosystem-Stabilitätkennzahlen unter Verwendung entsprechender Zeitreihendaten. So ermöglicht eine Zeitreihe immunologischer Messungen für Individuen die Quantifizierung der Stabilität ihres immunologischen Zustands im Zeitverlauf, während eine Zeitreihe der Populationsgröße die Messung der Stabilität dieser Population ermöglicht. „estar“ standardisiert und erleichtert die Berechnung dieser Kennzahlen, die zur Bewertung der Reaktionen von Systemen auf Störungen auf verschiedenen ökologischen Ebenen (z. B. Population, Gemeinschaft) verwendet werden.

„Unser R-Paket kann auf zwei verschiedene Arten genutzt werden. Auf der einen Seite bietet es Funktionen, die die Stabilität auf jeder Organisationsebene quantifizieren, vom Individuum bis zur Gemeinschaft, und auf eine Zeitreihe der Zustandsvariablen eines Systems (z. B. Körpermasse, Bestandszahlen oder Artenvielfalt) angewendet werden können“, erklärt Dr. Viktoriia Radchuk, Wissenschaftlerin in der Abteilung für Ökologische Dynamik des Leibniz-Instituts für Zoo- und Wildtierforschung (Leibniz-IZW) und Senior-Autorin des Aufsatzes. „Die in diesem Set enthaltenen Stabilitätsmetriken umfassen Unveränderlichkeit, Widerstandsfähigkeit, Ausmaß und Geschwindigkeit der Erholung, Persistenz und allgemeine ökologische Anfälligkeit.“ Ein gutes Beispiel sind Haussperlinge (Passer domesticus): Jeder kennt sie und sieht sie regelmäßig in Städten wie Berlin. Auch wenn die Art immer noch weit verbreitet ist, ist die Zahl der Individuen in Europa in den letzten Jahrzehnten deutlich zurückgegangen. Über Häufigkeit, Dauer und Ausmaß von Schwankungen der Populationsgröße ist jedoch nicht viel bekannt. Die Quantifizierung (der Wahrscheinlichkeit der) Unveränderlichkeit – eine der Stabilitätsmetriken in der Software „estar“ – liefert jedoch Erkenntnisse, die den dokumentierten drastischen Rückgang dieser Art ergänzen. Arten mit einer hohen Unveränderlichkeit ihrer Populationsgröße sind weniger anfällig für einen Rückgang, während Arten, deren Populationsgrößen im Laufe der Zeit stärker schwanken, unter ungünstigen Bedingungen anfälliger für ein lokales Aussterben sind.

Die zweite Gruppe von Funktionen misst die Stabilität einer Gemeinschaft auf kurzen und langen Zeitskalen mittels sogenannter Jacobi-Matrizen. Damit wird erstmals in einem praktisch nutzbares statistisches Softwarepaket umgesetzt, was bislang vor allem theoretisch beschrieben wurde: Komplexe Zusammenhänge in Artengemeinschaften bestimmen maßgeblich die Fähigkeit zur Selbstregulation und die Stabilität dieser Gemeinschaften. „Wir haben in ‚estar‘ mehrdimensionale Matrizen für die Stärke von Arten-Interaktionen in Gemeinschaften mathematisch abgebildet und können damit die Stabilität von Artengemeinschaften quantifizieren“, erläutern Radchuk und Figueiredo.

Im Paket enthalten und im Aufsatz beschrieben sind zudem praxisnahe Instruktionen für Forschende, die empirische Daten zur ökologischen Stabilität erheben und mit dem neuen Tool verarbeiten möchten. Das Team erhofft sich, dass dies die Lücke zwischen Theorie und Praxis in der Erfassung und Bemessung ökologischer Stabilität schließt und somit weitere wichtige Forschung in diesem Bereich anregt.

Deutsches Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig

Originalpublikation:

Figueiredo L, Scherer C, Kramer-Schadt S, Cabral JS, Kéfi S, Van den Brink PJ, Radchuk V (2026): estar: An R package to measure ecological stability. Methods in Ecology and Evolution 00, 1-11. DOI: https://doi.org/10.1111/2041-210x.70265

Wie Mäuse sehen: Neu entdeckte Nervenzellen erkennen mehr als Kanten

Mon, 09 Mar 2026 11:41:57 +0100

Der visuelle Kortex ist der Teil des Gehirns, der unsere visuelle Wahrnehmung ermöglicht. Millionen von Nervenzellen, Neuronen genannt, verarbeiten dort Reize aus der Außenwelt. Dabei reagieren sie nur, wenn Objekte mit bestimmten Eigenschaften in unseren Blick geraten. Laut Lehrbuch gibt es zwei Typen. Beide sind auf Kanten, also scharfe Übergänge zwischen Hell und Dunkel spezialisiert.

Ein internationales Team mit Forschenden der Stanford University und der Universität Göttingen hat mithilfe von Verfahren des maschinellen Lernens nun in Mäusen Neuronen mit bislang unbekannter Arbeitsteilung gefunden. Sie reagieren auf unterschiedliche „räumliche Frequenzen“. Diese Muster entstehen durch Objekte, die sich von ihrem Hintergrund abheben. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Neuroscience veröffentlicht.

Für ihre Entdeckung nutzten die Forschenden tiefe neuronale Netzwerke als „digitale Zwillinge" der Maus-Neuronen. Diese Modelle können die Aktivität einzelner Neuronen vorhersagen und so systematisch untersuchen, welche Bilder die jeweiligen Zellen aktivieren. An der Entwicklung dieser „digitalen Zwillinge“ waren Forschende aus Göttingen maßgeblich beteiligt. „Die neuronalen Netze sind essenzielle Werkzeuge, um aus großen Datensätzen neue Eigenschaften zu entdecken – wie diese Detektoren", erklärt Prof. Dr. Fabian Sinz vom Institut für Informatik der Universität Göttingen. „Diese Neuronen sind keine Fantasie eines Modells", betont Prof. Dr. Alexander Ecker vom selben Institut. „Durch gezielte Experimente im realen Mausgehirn haben unsere Partner an der Stanford University die vorhergesagten Eigenschaften bestätigt.“

Jedes Neuron im visuellen Kortex ist für einen Bereich des Gesichtsfeldes zuständig. Es reagiert nur, wenn ein passender Reiz in „seinem“ räumlichen Ausschnitt erscheint, etwa eine Kante in Blickrichtung links oben. Dieser Zuständigkeitsbereich ist sein rezeptives Feld. Klassische Lehrbuchmodelle unterscheiden im Sehsystem zwei Typen von Neuronen: „Einfache Zellen“ werden angeregt, wenn eine Kante – also ein scharfer Übergang zwischen Hell und Dunkel – an einer bestimmten Position in ihrem rezeptiven Feld erscheint. „Komplexe Zellen“ reagieren ebenfalls auf Kanten, allerdings unabhängig von deren genauer Position, solange die Kante eine bevorzugte Orientierung besitzt. Beide Zelltypen sind somit auf Unterschiede in der Helligkeit spezialisiert.

Die neu entdeckten Neuronen besitzen ein zweigeteiltes rezeptives Feld: Ein Teilbereich reagiert auf Texturen. Das sind flexible Muster wie Wald im Hintergrund eines Fotos oder das Gefieder eines Vogels. Der andere Teil wird nur angeregt, wenn Muster präzise angeordnet sind, wie Mund und Nase in einem Gesicht. Entscheidend ist, dass beide Teile auf unterschiedliche „räumliche Frequenzen“ spezialisiert sind. Dabei beschreibt eine hohe Frequenz ein dichtes Muster mit feinen Details und scharfen Linien, eine niedrige dagegen ein grobes Muster mit größeren gleichmäßigen Flächen. „Klassische einfache und komplexe Zellen sind auf Kanten erster Ordnung eingestellt, die durch Helligkeitsunterschiede definiert sind“, fasst Prof. Dr. Andreas Tolias von der Stanford University zusammen. „Dagegen reagieren die zweigeteilten Neuronen, die wir gefunden haben, auf Kanten zweiter Ordnung – also Unterschiede in Textur oder räumlicher Frequenz. Das ist genau die Art von Hinweisen, die ein Objekt von seinem Hintergrund trennt.“

Universität Göttingen

Originalpublikation:

Ding Z, Tran DT et al. Functional bipartite invariance in mouse primary visual cortex receptive fields. Nature Neuroscience (2026). https://doi.org/10.1038/s41593-026-02213-3

Wie Mikroben alten Kohlenstoff nutzen

Mon, 09 Mar 2026 11:26:49 +0100

Der Weg des hydrothermalen Kohlenstoffs

Für die Studie haben Forschende vom MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen und der National Sun Yat-sen University und des Exploration and Development Research Institute in Taiwan ein System heißer Quellen – Hydrothermalsysteme – in etwa zehn Meter Wassertiefe vor der taiwanesischen Insel Kueishantao untersucht, um den Weg dieses Kohlenstoffs durch das umgebende Meerwasser und die Aufnahme durch Mikroorganismen und sogar in höhere Lebewesen nachzuverfolgen.

„Wir konnten zeigen, dass Jahrtausende alter Kohlenstoff aus hydrothermalen Quellen Leben in diesen extremen Systemen antreiben kann“, sagt Joely Maak, die Erstautorin der Studie vom MARUM.

Das Team nutzt für diese Studie ein spezielles Isotop: Radiokohlenstoff (14C). Das radioaktive 14C entsteht in der oberen Atmosphäre der Erde durch kosmische Strahlung. Über Kohlendioxid gelangt das entstandene 14C dann in den natürlichen Kohlenstoffkreislauf und wird von Pflanzen, Mikroorganismen und schließlich von Tieren aufgenommen. Solange ein Organismus lebt, bleibt der Anteil an 14C nahezu konstant. Stirbt er oder wird der Kohlenstoff über sehr lange Zeiträume von der Atmosphäre getrennt, zerfällt das 14C allmählich. Nach mehreren zehntausend Jahren ist es praktisch nicht mehr nachweisbar. Kohlenstoff aus dem Erdinneren ist extrem alt und schon sehr lange von der Atmosphäre getrennt, enthält daher kein 14C mehr.

Gelangt dieser Kohlenstoff über hydrothermale Quellen ins Meer, trägt er eine deutlich andere Signatur als moderner, atmosphärischer Kohlenstoff, er ist faktisch “14C-tot”. Genau diesen Unterschied nutzen die Forschenden jetzt für die aktuelle Studie, um den Weg des hydrothermalen Kohlenstoffs durch das marine Ökosystem nachzuverfolgen.
„Der Ansatz der Studie war es, den alten, 14C-freien Kohlenstoff aus hydrothermalen Quellen als natürlichen Marker zu nutzen. Dass sich der Fingerabdruck so deutlich durch das gesamte Nahrungsnetz, auch in höhere Organismen verfolgen lässt, war auch für uns überraschend“, so Dr. Hendrik Grotheer, Geochemiker am Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar und Meeresforschung.

Wie ein effizienter Stoffwechselweg ganze Nahrungsnetze prägt

Bereits in früheren Arbeiten konnte das Team zeigen, dass spezialisierte Bakterien an diesen Quellen über eine besondere „Geheimwaffe“ verfügen: den sogenannten reduktiven Tricarbonsäurezyklus, kurz rTCA. Dieser besonders energieeffiziente Stoffwechselweg ermöglicht es Mikroorganismen, Kohlendioxid selbst unter extremen Bedingungen in ihre Biomasse einzubauen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen zeigt die neue Studie nun, dass der Kohlenstoff aus den heißen Quellen tatsächlich bis zu 30 Prozent der Biomasse der am Hydrothermalsystem lebenden Bakterien ausmacht und über das lokale Nahrungsnetz weitergegeben wird. Sogar Krebse, die direkt an den hydrothermalen Quellen leben, enthalten diesen alten Kohlenstoff, da sie sich von den am Hydrothermalsystem lebenden Bakterien ernähren. Dadurch erscheint ihr Körpergewebe messbar älter, als es in Wirklichkeit ist.

Der Projektleiter Dr. Enno Schefuß, MARUM, erläutert: „Nur durch die Kombination der Untersuchung spezifischer bakterieller Marker, sogenannter Fettsäuren, und Radiokohlenstoff-Analysen an diesen Fettsäuren war es möglich, diese neuen Befunde zu erlangen, also eine Kombination aus modernster Technik und sorgfältigster Laborarbeit.“

Auch Photosynthese nutzt hydrothermalen Kohlenstoff

Mithilfe von zusätzlichen Wasserstoffisotopen konnten die Forschenden zudem unterscheiden, ob der Kohlenstoff durch Chemosynthese oder durch Photosynthese aufgenommen wurde. Bei Photosynthese wird wie bei allen Pflanzen das Sonnenlicht zur Energieerzeugung genutzt, während Chemosynthese ganz ohne Sonnenlicht funktioniert: Hier verwenden Mikroorganismen reduzierte chemische Stoffe aus dem Erdinneren, um Energie zu gewinnen. Bisher wurde nie konkret nachgewiesen, dass Photosynthese eine Rolle bei der Aufnahme alten Kohlenstoffs aus Hydrothermalsystemen spielt. Die jetzige Studie zeigt durch die Verwendung verschiedener Isotopenanalysen, dass weiter entfernt von der Quelle auch Photosynthese-betreibende Organismen in erheblicher Distanz zum Hydrothermalsystem Kohlenstoff aufnehmen.

„Gleichzeitig zeigen die Ergebnisse, dass trotz dieser verschiedenen Aufnahmewege nur ein vergleichsweise kleiner Anteil des insgesamt freigesetzten Kohlenstoffs tatsächlich im lokalen Ökosystem verbleibt. Der Großteil des freigesetzten CO2 entzieht sich der direkten biologischen Nutzung und wird mit den umgebenden Wassermassen in den Ozean verteilt oder gelangt in die Atmosphäre“, fügt die Erstautorin Joely Maak hinzu. „Andererseits kann die Freisetzung von Komponenten, die in dieser Studie nicht berücksichtigt wurden, wie gelöster organischer Kohlenstoff und Mikronährstoffe aus marinen Hydrothermalquellen, die Biogeochemie der Ozeane beeinflussen. Dies wird in mehreren Projekten der zweiten Phase des Exzellenzclusters, die gerade gestartet wurde, genauer untersucht werden“, erklärt Co-Projektleiter Dr. Marcus Elvert vom MARUM.

Internationale Zusammenarbeit zur erfolgreichen Erforschung verborgener Prozesse im Ozean

Die Studie unterstreicht die Bedeutung langfristiger internationaler Zusammenarbeit zwischen Taiwan und Bremen und zeigt, wie moderne Isotopenmethoden dabei helfen können, bislang verborgene biogeochemische Prozesse im Meer sichtbar zu machen.
„Diese Studie zeigt, wie wichtig langfristige internationale Kooperationen für unser Verständnis komplexer Prozesse im Ozean sind“, sagt Dr. Solveig Bühring. „Zusammen mit meiner taiwanesischen Projektpartnerin Prof. Yu-Shih Lin habe ich die Feldarbeiten geleitet. Diese Kooperation ist durch ein gemeinsames DAAD-gefördertes Stipendium entstanden und hat sich zu einer äußerst erfolgreichen wissenschaftlichen Partnerschaft entwickelt. Ich hoffe sehr, dass wir diesen engen Austausch auch in Zukunft fortsetzen und gemeinsam weitere Einblicke in die Rolle hydrothermaler Systeme im globalen Kohlenstoffkreislauf gewinnen können.“

Die Studie ist zusätzlich finanziert und eingebunden in die Forschung des aktuellen Exzellenzclusters „Der Ozeanboden – Unerforschte Schnittstelle der Erde“. Ziel des Clusters ist es, Ozeanboden-Ökosysteme unter sich verändernden Umweltbedingungen sowie zentrale Stoffkreisläufe wie den des Kohlenstoffs besser zu verstehen.

MARUM

Originalpublikation:

Maak, J.M., Elvert, M., Grotheer, H. et al. Physicochemical controls on ancient carbon assimilation into ecosystem biomass in shallow-water hydrothermal systems. Commun Earth Environ 7, 216 (2026). doi.org/10.1038/s43247-026-03254-z