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Ältester fossiler Nachweis einer Kloake in der Säugetierlinie

Wed, 15 Jul 2026 12:18:33 +0200

Die Kloake ist ein gemeinsamer Ausführungsgang für Verdauungs-, Harn- und Geschlechtsorgane. Sie kommt heute bei Amphibien, den meisten Reptilien und Vögeln sowie bei wenigen Säugetieren, etwa den Kloakentieren, vor. Da Weichteilgewebe nur äußerst selten fossil erhalten bleiben, sind fossile Nachweise dieser anatomischen Struktur bislang eine große Ausnahme.

Das nun untersuchte Fossil stammt aus der weltberühmten Bromacker-Fundstelle und zeigt neben zahlreichen fossilen Trittsiegeln auch einen außergewöhnlich gut erhaltenen Schwanzabdruck. Im vorderen Bereich des Abdrucks befinden sich zwei Reihen erhöhter Schuppen, die durch einen senkrechten Schlitz getrennt werden. Diese Strukturen interpretieren die Forschenden als die Lippen und die Öffnung einer Kloake.

Anhand der Form des Schwanzabdrucks sowie der unmittelbar zugehörigen Fußspuren der Fährte Dimetropus konnte der Spurenerzeuger einer frühen Gruppe der Synapsiden zugeordnet werden. Besonders wahrscheinlich ist, dass die Spur von einem Vertreter der Caseiden stammt – pflanzenfressenden frühen Verwandten der Säugetiere, die während des Permokarbons vor etwa 305 bis 260 Millionen Jahren lebten. Die Entdeckung stellt den ersten fossilen Nachweis einer Kloake innerhalb der Synapsiden dar und erweitert unser Verständnis der Anatomie früher Säugetierverwandter erheblich.

Neue Erkenntnisse zur Evolution der Kloakenöffnung
Der Fund liefert zugleich wichtige Hinweise auf die Evolution der Kloakenöffnung bei Landwirbeltieren. Während frühere Untersuchungen an fossilen Reptilien auf eine waagerechte Ausrichtung der Kloakenöffnung hindeuteten, zeigt das neue Fossil erstmals eine deutlich senkrechte Orientierung bei frühen Synapsiden.

Durch den Vergleich mit heute lebenden Amphibien, Reptilien, Vögeln und Säugetieren rekonstruierte das Forschungsteam die Entwicklung dieser anatomischen Struktur über fast 300 Millionen Jahre. Die Analysen sprechen dafür, dass eine vertikale Kloakenöffnung ursprünglich für die ersten modernen Landwirbeltiere charakteristisch war. Im Verlauf der Evolution änderte sich ihre Orientierung mindestens dreimal unabhängig voneinander: zunächst zu einer horizontalen Öffnung bei frühen Reptilien, später erneut zu einer vertikalen Ausrichtung bei den Vorfahren der Krokodile und Dinosaurier sowie schließlich wieder zu einer horizontalen Orientierung bei den Vögeln.

Warum diese Veränderungen stattfanden, ist bislang nicht eindeutig geklärt. Die Forschenden diskutieren verschiedene mögliche Ursachen, darunter Unterschiede in der Fortpflanzungsbiologie, Anpassungen an trockene Lebensräume, Thermoregulation durch Verdunstung über die Kloake oder Veränderungen der Körpergestalt wie die Verkürzung von Schwanz und Gliedmaßen.

Bedeutung für die Paläontologie
„Das Fossil belegt die Einzigartigkeit von Spurenfossilien, da sie Einblicke in Weichteile ermöglicht, die ansonsten nur selten im Fossilbericht erhalten bleiben“, sagt Erstautor Dr. Lorenzo Marchetti vom Museum für Naturkunde Berlin. Prof. Jörg Fröbisch, Co-Autor der Studie und Projektleiter am MfN ergänzt: „Diese Entdeckung zeigt außerdem, dass es besonders wichtig ist, neben neuen Funden aus laufenden Grabungen auch historische Funde mit neuen Methoden erneut zu untersuchen.“

„Der außergewöhnliche Erhaltungszustand des Fossils unterstreicht den wissenschaftlichen Wert der Bromacker-Fundstelle, die weltweit zu den bedeutendsten Fundorten für paläozoische Landwirbeltiere zählt“, sagt Dr. Tom Hübner, BROMACKER-Projektpartner von der Friedenstein Stiftung in Gotha, wo die außergewöhnlichen Bromacker-Funde aufbewahrt werden.

Mit dem ersten fossilen Nachweis einer Kloake bei frühen Synapsiden eröffnet die Entdeckung neue Perspektiven für die Erforschung der Evolution der Fortpflanzungs- und Ausscheidungsorgane sowie der Lebensweise der frühen Vorfahren der Säugetiere. Sie verdeutlicht zugleich, wie außergewöhnliche Fossilien bislang verborgene Aspekte der Evolution sichtbar machen können.

Museum für Naturkunde Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung

Originalpublikation:
Marchetti, L., Logghe, A., Rebillard, A., MacDougall, M. J. and Fröbisch, J. 2025. The evolutionary significance of the earliest cloacal opening in Synapsida. iScience. https://doi.org/10.1016/j.isci.2026.116752

Mikrobiom im Darm: Gesamtmenge scheint wichtiger als genaue Zusammensetzung

Wed, 15 Jul 2026 12:09:45 +0200

Ob Stoffwechsel-, Herz-Kreislauf- oder chronisch-entzündliche Darmerkrankungen – zahlreiche Studien haben in den vergangenen Jahren Zusammenhänge zwischen dem Darmmikrobiom und der Gesundheit beschrieben. Doch viele dieser Befunde lassen sich bislang nur schwer reproduzieren. Trotz intensiver Forschung fehlen deshalb nach wie vor belastbare Mikrobiom-Merkmale, die eindeutig mit bestimmten Ernährungsweisen oder Erkrankungen verknüpft sind.

Dabei konzentriert sich die Mikrobiomforschung bislang vor allem auf qualitative Veränderungen: Welche Bakterienarten treten bei einer bestimmten Erkrankung auf? Welche nehmen zu, welche ab?

„Diese Sichtweise könnte jedoch unvollständig sein“, erklärt Studienleiter Prof. W. Florian Fricke vom Fachgebiet Mikrobiom und Angewandte Bioinformatik an der Universität Hohenheim. Denn neben der Zusammensetzung des Mikrobioms könnte auch dessen Quantität eine wichtige Rolle spielen – also, wie viele Mikroorganismen tatsächlich im Darm leben, wie stark sie sich vermehren und welche Konzentrationen sie dort erreichen.

Ernährung beeinflusst auch die Menge der Darmbakterien

In ihrer Studie untersuchten die Arbeitsgruppen von Prof. W. Florian Fricke vom Fachgebiet Mikrobiom und Angewandte Bioinformatik und von Prof. Axel Lorentz vom Fachgebiet Ernährungsmedizin und Prävention, wie unterschiedliche Ernährungsformen und Essensmuster die quantitativen Eigenschaften des Darmmikrobioms von Mäusen beeinflussen. Dazu verglichen sie die Effekte einer ballaststoffreichen Ernährung, des Intervallfastens sowie einer fettreichen Ernährung.

Das Ergebnis: Eine ballaststoffreiche Ernährung und eine zeitlich begrenzte Nahrungsaufnahme übten vergleichbare quantitative Effekte auf das Darmmikrobiom aus. Beide Ernährungsformen gingen mit einer verkürzten Darmpassage, einer geringeren mikrobiellen Dichte im Stuhl sowie einer reduzierten Ausscheidung von Mikroorganismen einher. Eine fettreiche Ernährung hingegen zeigte gegenteilige Effekte und war mit längeren Transitzeiten sowie einer erhöhten mikrobiellen Dichte verbunden.

Ähnliche entzündungshemmende Effekte trotz unterschiedlicher Zusammensetzung

Besonders bemerkenswert war, dass beide − eine ballaststoffreiche Ernährung und Intervallfasten − mit vergleichbaren entzündungshemmenden Reaktionen im Darm einhergingen und die Ausbildung von Entzündungsmarkern reduzierten. Dies ist ein Befund, der mit den bereits bekannten positiven Effekten der beiden Ernährungsformen übereinstimmt. Gleichzeitig unterschied sich die bakterielle Zusammensetzung des Mikrobioms jedoch deutlich bei den einzelnen Ernährungsformen.

„Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Wirkungen des Mikrobioms auf den Organismus möglicherweise weniger von seiner exakten Zusammensetzung abhängen als bislang angenommen. Stattdessen könnten quantitative Eigenschaften entscheidend sein – also wie viele Mikroorganismen vorhanden sind und wie schnell sie sich vermehren können“, so Prof. Fricke.

Potenzial für Diagnostik und Therapie

Damit liefert die Studie einen neuen Ansatz, um die bislang häufig widersprüchlichen Ergebnisse der Mikrobiomforschung besser zu verstehen: „Wenn wir die Rolle des Mikrobioms für Gesundheit und Krankheit vollständig erfassen wollen, reicht es wahrscheinlich nicht aus zu fragen, welche Bakterien vorhanden sind. Wir müssen auch berücksichtigen, in welchen Mengen sie im Darm auftreten“, so der Wissenschaftler. Langfristig könnten quantitative Mikrobiomparameter dazu beitragen, robustere Biomarker für mikrobiomvermittelte Erkrankungen zu entwickeln und neue therapeutische Strategien zu erschließen. Damit könnten Erkenntnisse aus der Mikrobiomforschung künftig leichter den Weg in die klinische Praxis finden.

Universität Hohenheim

Originalpublikation:

Ruple HK, Schintgen L, Haasis E et al.: Distinct compositional changes but shared quantitative microbiome and anti-inflammatory modulations by diet, Cell Reports, doi: https://doi.org/10.1016/j.celrep.2026.117624

Immunantwort auf eigentlich harmlosen Hefepilz wird bei Morbus Crohn zum Problem

Wed, 15 Jul 2026 11:52:10 +0200

Fast jeder Mensch trägt Candida albicans in sich. Der Hefepilz besiedelt menschliche Schleimhäute wie beispielsweise im Mund oder im Darm: und das meist still und meist ohne Beschwerden. Das Immunsystem lernt früh, mit ihm umzugehen. Es bildet spezialisierte Abwehrzellen, sogenannte Th17-Zellen, die den Pilz in Schach halten. Was diese Zellen im gesunden Körper genau tun, wo sie entstehen und warum sie bei Morbus Crohn gefährlich werden können, hat ein Forschungsteam des Exzellenzclusters „Precision Medicine in Chronic Inflammation" (PMI) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel nun erstmals systematisch aufgedeckt. Die Studie ist heute in der Fachzeitschrift Immunity erschienen.

Präzise Abwehr gegen einen alten Bekannten
Das Immunsystem hält Candida albicans mit einer bestimmten Klasse von Abwehrzellen in Schach: den Th17-Zellen. Sie patrouillieren an menschlichen Schleimhäuten und schütten Botenstoffe aus, die den Pilz kontrollieren. Jede dieser Th17-Zellen reagiert dabei auf ein bestimmtes Ziel, ein sogenanntes Antigen.
Der Hefepilz Candida albicans besitzt Tausende solcher möglichen Zielstrukturen. Man würde erwarten, dass die Th17 Zellen viele davon erkennen und so eine breite, diversifizierte Immunantwort gegen viele verschiedene Pilzproteine entsteht. Doch das Gegenteil ist der Fall: Die Th17-Antwort richtet sich auf eine überraschend kleine Auswahl von Pilzproteinen und diese stammen vor allem aus extrazellulären Vesikeln. Das sind winzige Partikel, die Candida aktiv nach außen abgibt – gewissermaßen seine Botschaften an die Umgebung. Dass genau diese Vesikel die Th17 Antwort so stark beeinflussen, war bisher nicht bekannt. „Wir haben nicht erwartet, dass die Immunantwort gegen Candida albicans so fokussiert ist. Dass sich das gesamte Candida-spezifische Th17-Repertoire auf eine Handvoll Proteine aus extrazellulären Vesikeln konzentriert, war für uns ein echter Überraschungsbefund", sagt Gabriela Rios Martini, Erstautorin der Studie. Diese fokussierte Antwort hängt vermutlich mit den Vesikeln selbst zusammen. „Die Schleimhautbarriere wirkt vermutlich als Filter: Im gesunden Zustand können vor allem die Vesikel passieren, wodurch wahrscheinlich nur diese Proteine dem Immunsystem zur Verfügung stehen“, sagt Philipp Hofmann, ebenfalls Erstautor der Studie.

Die Mundschleimhaut als Ursprungsort?
Wo genau diese Candida albicans-spezifischen Th17-Zellen ihren Ursprung haben, war bisher ungeklärt. Die neuen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Mundschleimhaut dabei eine wichtige Rolle spielt. Dort lassen sich besonders viele dieser Th17-Zellen nachweisen. Das macht biologisch Sinn: Die Mundschleimhaut ist ein wichtiger Kontaktpunkt zwischen Candida und dem menschlichen Körper. Dort begegnet das Immunsystem dem Pilz vermutlich häufig, was zur Prägung und Aktivierung entsprechender Immunantworten beitragen könnte.

Gemeinsame Immunzellen in Mund und Darm
Um zu verstehen, ob dieselben Th17 Zellen auch anderswo im Körper auftauchen, analysierte das Forschungsteam die T-Zell-Rezeptoren von Zellen aus verschiedenen Geweben. Jeder T-Zell-Rezeptor ist einzigartig: Er funktioniert wie ein molekularer Fingerabdruck, der verrät, welches Antigen eine Zelle erkennt. Taucht derselbe Fingerabdruck in zwei verschiedenen Geweben auf, stammen die Zellen höchstwahrscheinlich aus derselben Immunreaktion.
Das Team konnte genau das nachweisen: Identische Immunzellklone tauchen sowohl in der Mundschleimhaut als auch im Darm auf. Und als wichtigster Treiber dieser Überschneidung erwies sich Candida albicans. Mund und Darm sind immunologisch also enger miteinander verbunden als bisher angenommen.

Wenn die Kontrolle verloren geht
Bei gesunden Menschen bleiben die Candida-spezifischen Th17-Zellen in einem stabilen, kontrollierten Zustand. Im entzündeten Darm von Morbus-Crohn-Patientinnen und -Patienten verändert sich das. Dort reichern sich diese Zellen an und tragen dabei molekulare Merkmale, die auf eine Prägung in der Mundschleimhaut hinweisen. Sie sind also keine neu entstandenen Zellen, sondern die alt bekannten Immunzellklone in einer neuen Umgebung.
Allerdings verändert diese Umgebung die Immunzellen. Sie behalten zwar ihre ursprüngliche Spezifität und erkennen nach wie vor dieselbe kleine Auswahl von Pilzproteinen. Doch sie nehmen zusätzliche Eigenschaften an, die mit einer potenziell gewebsschädigenden Immunreaktion in Verbindung stehen. Was sich verändert, ist nicht das Ziel der Immunantwort – sondern die Art, wie sie ausgeführt wird.

Ein neuer Ansatzpunkt
Die Ergebnisse eröffnen eine neue Perspektive auf die chronische Entzündung bei Morbus Crohn. Bisherige Therapien dämpfen oft große Teile des Immunsystems. Ein so präziser Befund wie dieser könnte künftig einen gezielteren Ansatz ermöglichen: „Unsere Daten deuten darauf hin, dass bereits vorhandene, eigentlich homöostatische Th17-Zellen im Krankheitskontext funktionelle Veränderungen durchlaufen, anstatt infolge der Entzündung im Darm neu zu entstehen“ sagt Prof. Petra Bacher, Direktorin des Institutes für Medizinische Immunologie und Seniorautorin der Studie. „Das gibt uns einen konkreten Ausgangspunkt für gezieltere Therapieansätze".

Auch bereits vorhandene Biologika könnten die veränderten Th17 Zellen gegen C. albicans modulieren. Wirkstoffe, die die Wanderung von Immunzellen beeinflussen, wie α4β7-Integrin-Antagonisten oder S1P-Modulatoren, könnten verhindern, dass sich die Candida-reaktiven Th17-Zellen im Darm anreichern. Anti-IL-23-Therapien wiederum könnten ihre krankheitsfördernden Eigenschaften abschwächen. Wie sich diese Biologika-Therapien konkret auf diese Immunzell-population auswirken, soll in weiteren Studien untersucht werden.
„Die Arbeit ist ein hervorragendes Beispiel für die Übertragung von Forschungsergebnissen in die Klinik, insbesondere im Hinblick auf die Rolle von Candida. Diese Ergebnisse dokumentieren auch die besondere Rolle immunologischer Forschung in der Entzündungsmedizin“ sagt Prof. Stefan Schreiber, Sprecher des Exzellenzclusters PMI und Direktor der Klinik für Innere Medizin I, UKSH, Campus Kiel, mit dessen Zusammenarbeit die Studie durchgeführt wurde.

PMI Exzellenzcluster Präzisionsmedizin für chronische Entzündungserkrankungen

Originalpublikation:

Martini G, Hofmann P, Kamps A et al.: Antigen-restricted Candida albicans Th17 cells link oral-gut immunity and adopt pathogenic features during intestinal inflammation, Immunity, 2026; DOI: 10.1016/j.immuni.2026.06.013

Schon wirbellose Tiere können sich an Krankheitserreger anpassen

Wed, 15 Jul 2026 10:58:00 +0200

Das sogenannte angeborene Immunsystem gilt als die erste Verteidigungslinie gegen Krankheitserreger. Nach der klassischen Lehrmeinung reagiert es schnell, aber weitgehend unspezifisch auf eindringende Mikroorganismen. Dagegen wird dem „adaptiven Immunsystem“ der Wirbeltiere die Fähigkeit zugeschrieben, zwischen nützlichen und schädlichen Mikroorganismen gezielt zu unterscheiden. Denn erst das adaptive Immunsystem besitzt Antikörper und Gedächtniszellen, die durch den Kontakt mit Krankheitserregern im Laufe des Tierlebens trainiert werden.

In der nun in Nature Communications erschienenen Studie zeigt ein Forschungsteam um Prof. Dr. Sebastian Fraune von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) am Institut für Zoologie und Organismische Interaktionen zusammen mit Kolleginnen und Kollegen der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, dass diese Sichtweise ergänzt werden muss. Die Forschenden wiesen nach, dass bereits ein evolutionär sehr ursprüngliches Tier, die Seeanemone Nematostella vectensis, Mikroorganismen gezielt unterscheiden kann – obwohl sie ausschließlich über ein angeborenes Immunsystem verfügt.

Im Mittelpunkt der Arbeit standen frei bewegliche Zellverbände im Inneren der Seeanemone, die sogenannten Nematosomen. Die Forschenden zeigten, dass diese Strukturen bevorzugt fremde Bakterien aufnehmen und abbauen, während sie die natürlich zur Seeanemone gehörenden und für sie nützlichen Bakterien, ihr „Mikrobiom“, weitgehend verschonen. Auf diese Weise tragen die Nematosomen dazu bei, eine stabile und gesunde Gemeinschaft im Mikrobiom zu erhalten.

Eine Schlüsselrolle spielt das Gen cJun, das die Funktion der Nematosomen steuert. Mithilfe der Genschere CRISPR/Cas9 schaltete die Forschenden dieses Gen gezielt aus. Die veränderten Tiere bildeten deutlich weniger Nematosomen und verloren die Fähigkeit, fremde und körpereigene Bakterien zuverlässig zu unterscheiden. Dadurch geriet das Mikrobiom aus dem Gleichgewicht und die Tiere wurden anfälliger für bakterielle Infektionen.

Dr. Nida Kaya ist Erstautorin der Studie, die Forschungen waren Schwerpunkt ihrer Promotion: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die gezielte Erkennung von Mikroorganismen kein Privileg des adaptiven Immunsystems ist. Vielmehr besitzen bereits Wirbellose hochentwickelte Mechanismen, mit denen sie ihre nützlichen Mikroorganismen fördern und potenziell schädliche Bakterien gezielt kontrollieren können.“

Prof. Fraune ergänzt: „Die Fähigkeit, Mikroorganismen selektiv erkennen zu können, ist damit vermutlich deutlich älter als bisher angenommen. Sie entwickelte sich bereits früh in der Evolution der Tiere. Dazu liefert diese Studie wichtige neue Erkenntnisse über die evolutionären Ursprünge des Immunsystems. Sie zeigt, wie Tiere seit Hunderten von Millionen Jahren das Gleichgewicht zwischen nützlichen Mikroorganismen und Krankheitserregern aufrechterhalten.“

Hieraus ergeben sich neue Perspektiven, um das angeborene Immunsystem und dessen evolutionären Entwicklung zu erforschen. Gleichzeitig wirft die Studie Frage auf, wie weit die Leistungsfähigkeit des angeborenen Immunsystems tatsächlich reicht. Die Seeanemone bietet dafür ein gutes Modellsystem, um grundlegende Prinzipien der Immunbiologie zu entschlüsseln, die bis heute in vielen Tiergruppen erhalten geblieben sein können.

Prof. Fraune: „Besonders interessant ist in diesem Zusammenhang das sogenannte Immungedächtnis bei wirbellosen Tieren. Auch ohne adaptives Immunsystem scheinen sie, nach einer ersten Begegnung mit bestimmten Krankheitserregern, bei einem erneuten Kontakt schneller oder wirksamer reagieren zu können. Dieses Phänomen wird als ‚Immune Priming‘ oder angeborenes Immungedächtnis bezeichnet.“

Die in der Studie beschriebenen Nematosomen bieten ein vielversprechendes Modellsystem, um die zellulären und molekularen Grundlagen solcher Gedächtniseffekte zu untersuchen. Da die Zellen zwischen eng verwandten Bakterienstämmen unterscheiden können und ihre Aktivität durch cJUN gesteuert wird, lassen sich künftig gezielt die Signalwege erforschen, die einer verbesserten Wiedererkennung von Mikroorganismen zugrunde liegen.

Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Originalpublikation:

Kaya, N.H., Abukhalaf, M., Fuentes, G. et al. c-JUN controls microbial colonization via selective phagocytosis in the sea anemone Nematostella. Nat Commun 17, 6087 (2026). doi.org/10.1038/s41467-026-75511-w

Stark unterschätzte Methanquellen: Gewässer im Amazonas-Regenwald

Wed, 15 Jul 2026 10:50:10 +0200

Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Chemie hat nun mithilfe von Flugzeugmessungen festgestellt, dass die tatsächlichen Emissionen im Amazonasgebiet deutlich höher waren als von Klima- und Erdsystem-Modellen ermittelt. In bestimmten Gebieten wird sogar viermal so viel Methan abgegeben wie zuvor berechnet. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal „Geophysical Research Letters“ veröffentlicht. Sie sind von großer Bedeutung für die Genauigkeit von Klimaprognosen.

Etablierte Modelle stoßen an Grenzen

„Die Abweichungen zwischen Modellberechnungen und Realität haben mich motiviert, herauszufinden, woher das fehlende Methan stammt,“ sagt Linda Ort vom Max-Planck-Institut für Chemie. Die Atmosphärenchemikerin und Erstautorin der Studie stellt fest, dass in Flughöhen ab sechs Kilometer die Mess- und die Modelldaten recht gut übereinstimmen. Je kleiner der Abstand zur Erdoberfläche jedoch war, umso größer wurden die Abweichung. Die gemessenen Methanwerte lagen im Durchschnitt etwa doppelt so weit über dem Hintergrundwert wie die entsprechenden Modellwerte. Zum Zeitpunkt der Messung im Dezember 2022 und Januar 2023 betrug der Hintergrundwert in der Atmosphäre etwa 1907 Teile pro Milliarde (ppb), ist seitdem jedoch erneut angestiegen. Die Einheit ppb (parts per billion) wird dabei verwendet, um sehr geringe Mischungsverhältnisse, wie sie bei Spurengasen in der Atmosphäre auftreten, präzise zu beschreiben. Die Ursache sieht Ort darin, dass sich Methan in großen Höhen atmosphärisch gut durchmischt und die Modelle den Transport von Luftmassen und Durchmischungseffekte gut abbilden. Für niedrigere Höhen versagen die Modelle jedoch.

Bei genauerer Betrachtung hinsichtlich der Quellen zeigte sich, dass an einigen Stellen in den Amazonas-Feuchtgebieten bis zu viermal so viel Methan in die Luft abgeben wird wie bisher angenommen. Unterteilt in die Art der Feuchtgebiete waren die Werte zum Beispiel an Flussdeltas um 26 Prozent erhöht, an Stauseen um 19 Prozent, und an regelmäßig überschwemmten Flussgebieten um 13 Prozent.

Die Forschenden sammelten ihre Daten über einen Zeitraum von zwei Monaten zwischen Dezember 2022 und Januar 2023. Dieses Zeitfenster liegt genau im Übergang von der Trocken- zur Regenzeit – einer Phase, in der typischerweise keine Brandrodung stattfindet und somit die Messungen nicht durch menschliche Eingriffe verfälscht wurden. In der eigentlichen Regenzeit sind die Methanemissionen zwar nochmals höher, in der Trockenzeit allerdings niedriger, wodurch sich die Mengen in etwa ausgleichen. Somit entsprechen die zwei Monate, in denen die Messungen stattfanden, in etwa dem Jahresmittel der Feuchtgebietsemissionen.

Umfangreiche Messflüge zwischen Trocken- und Regenzeit

Mit Hilfe von Sensoren an Bord des Forschungsflugzeugs HALO maßen Ort und das internationale Team die Methankonzentrationen in unterschiedlichen Höhen über einer riesigen Fläche des brasilianischen Regenwalds. Die Flughöhe reichte von nur 200 Metern über den Baumwipfeln bis in über 14 Kilometer Höhe. An über 7.000 Messpunkten erfassten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen die Daten mit einem speziell für den Einsatz an Bord von HALO entwickelten Absorptionsspektrometer, das das Spurengas Methan auch bei niedrigen Luftdrücken, wie sie in großen Höhen herrschen, präzise bestimmt.

Für ihre Analysen unterteilten sie die gesamte Amazonasregion in Rasterzellen von 0,1 Grad × 0,1 Grad - eine für Emissionskarten hohe Auflösung. Um das in der Luft gemessene Methan dann den Quellen am Boden zuordnen zu können, berechneten die Forschenden mithilfe eines Transportmodells den Weg der Luftmassen zeitlich rückwärts bis zur jeweiligen Rasterzelle am Boden. Mithilfe eines für Feuchtgebiete gut etablierten Modellsatzes der NASA und eines komplexen numerischen Verfahrens berechneten sie dann die tatsächlich freigesetzten Methanmengen. Der Modellsatz der NASA schätzt Methanemissionen indirekt auf Basis von Satellitenmessungen der Bodenbeschaffenheit wie Feuchtigkeit, Vegetation und Temperatur ab.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass es in tropischen Feuchtgebieten wie dem Amazonas-Regenwald noch viele unterschätzte Methanquellen gibt,“ sagt Linda Ort, die bei vielen Messflügen mit an Bord war. Um die teils stark variierenden Methanquellen besser identifizieren zu können und Klima- und Erdmodelle zu verbessern, seien laut Ort mehr Messdaten nötig.

Methanemissionen: 35% aus der Natur, 65% menschengemacht

Rund 65 Prozent der weltweiten Methanemissionen stammen aus anthropogenen Quellen wie der Landwirtschaft, der Gewinnung und Nutzung von fossilen Brennstoffen und der Abfallwirtschaft. Die übrigen 35 Prozent werden bei natürlichen Prozessen freigesetzt. So entsteht Methan in größeren Mengen, wenn organisches Material, wie abgestorbene Pflanzen und Blätter, unter Wasser von Mikroorganismen zersetzt wird. Ein Beispiel hierfür sind Staudämme, wenn dabei große Waldflächen überschwemmt werden. Die künstlichen Bauwerke dienen in der Regel der Stromgewinnung, gelten aber als natürliche Methanquellen.

„Diese Ergebnisse unterstreichen wie wichtig es ist, die Prozesse besser zu verstehen, die die Methanbildung in Feuchtgebieten steuern", sagt Eric Kort, Direktor der Abteilung Atmosphärenchemie am Max-Planck-Institut für Chemie und Mitautor der Studie. „Um den globalen Methanhaushalt zuverlässig zu erfassen, brauchen wir deutlich mehr Messungen nicht nur im Amazonasgebiet, sondern auch in anderen datenarmen Tropenregionen wie Zentralafrika und Südostasien.“

Max-Planck-Institut für Chemie

Originalpublikation:
Linda Ort, Christian Frankenberg, Nikhil Dadheech, James (Young Suk) Yoon, Alexander J. Turner, A. Anthony Bloom, Paul Konopka, Hans-Christoph Lachnitt, Peter Hoor, Jos Lelieveld, Eric A. Kort, Horst Fischer: Airborne observations reveal underestimated riverine methane emissions across the Amazon, Geophysical Research Letters, 53, https://doi.org/10.1029/2026GL122310

Arbeitsteilung im Bienenstaat

Tue, 14 Jul 2026 11:54:59 +0200

Ob in der menschlichen oder in Bienengesellschaften: Damit eine Gemeinschaft funktioniert, müssen Arbeiten zuverlässig auf die Mitglieder verteilt werden. Während Menschen Aufgaben bewusst organisieren und verteilen, geschieht dies im Bienenstaat ohne zentrale Planung. Trotzdem funktioniert die Arbeitsteilung bei den Bienen (Apis mellifera) gut.

Je nach Alter übernehmen die Arbeiterinnen unterschiedliche Arbeiten: Junge Bienen versorgen die Königin und pflegen den Nachwuchs; danach übernehmen sie Bauarbeiten und bewachen den Stock; erst spät verlassen sie den Stock, um Nahrung zu sammeln. Gesteuert werden die unterschiedlichen Arbeiten durch das Zusammenspiel von rund einer Million Nervenzellen im Bienengehirn. Wie das Nervensystem diese altersabhängige Arbeitsteilung umsetzt, war bisher jedoch unbekannt.

Erste Hinweise, wie die Arbeitsteilung gesteuert wird, lieferte die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Martin Beye vom Institut für Evolutionsgenetik der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) bei Untersuchungen des sogenannten doublesex-Gens. Sie zeigten, dass sich ältere Arbeiterinnen, bei denen das Gen inaktiviert wurde, verstärkt um die Königin kümmerten und damit Tätigkeiten übernahmen, die sie normalerweise nur im jüngeren Alter tun.

Da das doublesex-Gen nur in ausgewählten neuronalen Schaltkreisen aktiv ist, bot sich so einem Forschungsteam um Prof. Beye sowie Forschenden der Universitäten in Köln und Frankfurt/Main ein Zugang, um die Verhaltenssteuerung der Bienen zu untersuchen. Indem die zugehörigen doublesex-Neuronen gehemmt wurden – ein Neuron-hemmendes Protein wurde zum Gen zusätzlich abgelesen und wird über die Fütterung einer Substanz gezielt aktiviert –, konnten die Forschenden gezielt die Aktivität der entsprechenden neuronalen Schaltkreise hemmen.

Dr. Jana Seiler, Erstautorin der PNAS-Studie: „Dann übernahmen die älteren Arbeiterinnen wieder Arbeiten rund um die Königin, die ansonsten nur die jüngeren Bienen ausführten. Wurden die Schaltkreise nicht gehemmt, zeigten die Bienen ihr natürliches, altersabhängiges Verhalten. Auf diese Weise steuerten wir also, welche Arbeiten die Arbeiterinnen übernahmen.“

Die Ergebnisse der Forschenden zeigen, dass ein neuronaler Mechanismus der Arbeitsteilung im Bienenstaat zugrunde liegt. Indem bestimmte Bereiche im Bienengehirn gehemmt werden, werden andere Schaltkreise aktiviert, die die Durchführung von anderen Arbeiten steuern. Damit liefern die Ergebnisse erstmals Hinweise darauf, dass der Informationsaustausch zwischen den neuronalen Schaltkreisen für die Festlegung der Tätigkeit der Bienen eine wichtige Rolle spielt.

Prof. Beye: „Indem wir nun das Sozialverhalten der Bienen kontrollieren können, eröffnet uns dies neue Möglichkeiten, die Grundlagen der angeborenen Verhaltensvielfalt und der sozialen Zusammenarbeit zu erforschen. Das Rätsel, wie Bienen und andere Tiere ohne Arbeitsplan dabei so prächtig zusammenarbeiten, dürfte sich in den Schaltkreisen des Gehirns verbergen.“

Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Originalpublikation:

Vivien Sommer, Jana Seiler, Alina Sturm, Sven Köhnen, Anna Wagner, Christina Blut, Wolfgang Rössler, Stephen F. Goodwin, Bernd Grünewald, Martin Beye: Dedicated developmental programing for group-supporting behaviors in eusocial honeybees. Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adp3953

Wenn KI die Natur optimiert: Chancen und Risiken synthetischer Proteine

Tue, 14 Jul 2026 11:50:54 +0200

Proteine sind die Grundlage zahlreicher biologischer Prozesse. Sie übernehmen in allen Lebewesen vielfältige Aufgaben und bestimmen durch ihre Struktur, welche Funktionen sie erfüllen. Jahrzehntelang war es eine der größten Herausforderungen der Wissenschaft, die dreidimensionale Struktur und ihre Funktionsbeziehung von Proteinen zu entschlüsseln. Das neue VDI Research-Paper zeigt: KI-Systeme wie AlphaFold oder RosettaFold ermöglichen es heute, Proteinstrukturen deutlich schneller zu analysieren und Zusammenhänge zwischen Aufbau und Funktion besser zu verstehen. Darüber hinaus erlaubt KI auch die gezielte Gestaltung völlig neuer synthetischer Proteine mit maßgeschneiderten Funktionen, die so in der Natur nicht vorkommen. Durch diese Fortschritte und die Möglichkeiten der synthetischen Biologie wird es in Medizin, industrieller Produktion, Umwelttechnik und vielen weiteren Bereichen zu transformativen Veränderungen kommen.

Anwendungen, die das Leben verändern

Die Einsatzmöglichkeiten synthetischer Proteine sind vielfältig:

Medizin: Neue synthetische Proteine helfen dabei, multiresistente Bakterien zu bekämpfen oder personalisierte Krebstherapien auf Basis der mRNA-Technologie zu entwickeln.

Umwelttechnik: Spezielle Enzymproteine können Kunststoffabfälle wie PET abbauen oder wertvolle Seltene Erden aus Elektroschrott zurückgewinnen.

Nahrungsmittelproduktion: Synthetisch hergestellte Proteine sind eine nachhaltige, tierfreie Alternative zu konventionellem Fleisch und das mit deutlich geringerem CO₂-Ausstoß und Wasserverbrauch.

Neue Materialien: Synthetische Proteine bieten Lösungen, die herkömmliche Materialien in puncto Nachhaltigkeit übertreffen: von selbstheilenden Werkstoffen bis hin zu biologisch abbaubaren Textilfasern.

Landwirtschaft: Maßgeschneiderte Proteine optimieren Tierfutter, verbessern die Nährstoffaufnahme und ermöglichen umweltfreundliche Alternativen zu chemischen Pflanzenschutzmitteln.

Kosmetik: Biotechnologisch hergestellte Proteine ermöglichen tierfreie Alternativen wie veganes Kollagen und werden als Transportvehikel für Wirkstoffe in der Hautpflege eingesetzt.

Chancen und Risiken im Blick behalten

„Die Biologisierung wird unsere Technik und Wirtschaft in den kommenden Jahren ähnlich stark verändern wie die Digitalisierung", erläutert Matthias Braun, Technologieberater am VDI Technologiezentrum und einer der beiden Autoren des Papers. „Gerade deshalb braucht es einen verantwortungsvollen Umgang. Wir brauchen regulatorische Rahmenbedingungen, die Innovation ermöglichen und gleichzeitig Missbrauch verhindern.“

Vor diesem Hintergrund weisen die Autoren darauf hin, dass KI-Modelle trotz ihres großen Potenzials keine fehlerfreien Ergebnisse liefern. Synthetische Proteine können unvorhergesehene Wechselwirkungen in lebenden Organismen auslösen und es bestehen ernsthafte Risiken durch möglichen Missbrauch wie die Entwicklung neuartiger Biotoxine, die sich gängigen Nachweismethoden entziehen. Um die Chancen des KI-gestützten Proteindesigns sicher zu nutzen, sind daher eine vorausschauende Regulierung und eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit unerlässlich.

VDI Technologiezentrum

Das vollständige Paper ist abrufbar unter: https://www.vditz.de/service/die-transformative-kraft-synthetischer-proteine

Pflanzen schalten bei Starklicht sofort um

Tue, 14 Jul 2026 11:41:06 +0200

Pflanzen wirken unbeweglich. Doch wenn sich ihre Umwelt ändert, reagieren sie in Sekunden. Besonders herausfordernd ist plötzliches Starklicht. Es kann die Photosynthese stören und Zellen schädigen. Wie schnell und gezielt Pflanzen darauf antworten, zeigt nun eine Studie, die im Fachjournal Molecular Plant veröffentlicht wird.

„Wir konnten zeigen, dass Pflanzen ihre Proteinproduktion innerhalb weniger Minuten neu ausrichten, noch bevor sich die Aktivität der Gene im Zellkern verändert“, sagt Erstautor Dr. Marten Moore. Er forschte zunächst an der Universität Bielefeld und setzte seine Arbeit später an der Australian National University in Canberra fort. „Damit haben wir eine zusätzliche, sehr schnelle Steuerungsebene entdeckt.“

Direkte Steuerung statt Umweg über Gene
Bislang ging die Forschung vor allem davon aus, dass Chloroplasten – also die Orte der Photosynthese in der Pflanzenzelle – Signale an den Zellkern senden. Dort werden dann Gene aktiviert, um Schutzprogramme zu starten. Dieser Weg braucht Zeit, weil zunächst neue Botenmoleküle gebildet werden müssen.

Das Forschungsteam aus Bielefeld und Canberra zeigt nun: Pflanzen können schneller reagieren. Sie greifen direkt in die Herstellung von Proteinen ein. Proteine sind die Arbeitsmoleküle der Zelle; sie entstehen, wenn sogenannte Ribosomen die Bauanleitung der Boten-RNA (mRNA) „lesen“ und in Eiweiße übersetzen. Diesen Schritt regulieren die Pflanzen bei Starklicht neu.

Innerhalb von zehn Minuten verschiebt sich, welche mRNA besonders häufig in Proteine umgesetzt wird. Vor allem entstehen mehr Proteine, die für die Photosynthese im Chloroplasten wichtig sind. So schützt sich die Pflanze vor Schäden durch zu viel Licht – Fachleute sprechen von Photoinhibition, einer lichtbedingten Beeinträchtigung des Photosystems.

Kleine RNA-Abschnitte mit großer Wirkung
Ausgelöst wird dieser schnelle Umbau durch kurze Abschnitte am Anfang der mRNA. Diese Sequenzen dienen als Andockstelle für ein Enzym namens GAPDH, das eigentlich eine Rolle im Zuckerstoffwechsel spielt. Je nach Lichtintensität bindet oder löst sich dieses Enzym von der mRNA. Dadurch wirkt es wie ein Schalter, der die Proteinproduktion hoch- oder herunterfährt.

Den Mechanismus wiesen die Forschenden nicht nur in der Modellpflanze Arabidopsis, sondern auch in der Hirseart Setaria viridis nach. Das spricht dafür, dass er in vielen Pflanzenarten verbreitet ist.

Die Arbeit ist das Ergebnis einer langjährigen Kooperation. Die zugrunde liegende Hypothese entwickelte die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Karl-Josef Dietz an der Universität Bielefeld bereits vor rund 18 Jahren. Gefördert wurde das Projekt unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Australian Research Council.

Angesichts zunehmender Wetterextreme gewinnt die Entdeckung an Bedeutung. Pflanzen sind immer häufiger intensiver Sonneneinstrahlung, Hitze und Trockenheit ausgesetzt. Wer versteht, wie sie sich in Minuten anpassen, kann langfristig Sorten entwickeln, die stabilere Erträge liefern, ohne ihr Erbgut grundsätzlich zu verändern, sondern indem gezielt natürliche Steuerungselemente genutzt werden.

Einschätzung von Prof. Dr. Karl-Josef Dietz zum Thema
„Unsere Ergebnisse zeigen erstmals, dass Chloroplasten die Proteinsynthese im Zellplasma direkt und extrem schnell beeinflussen können. Das erweitert unser Verständnis der pflanzlichen Stressreaktionen grundlegend. Besonders interessant sind die kurzen RNA-Abschnitte und die Bindeproteine, die zusammen als Schalter arbeiten. Diese Erkenntnis eröffnet konkrete Perspektiven für die Züchtung robuster Kulturpflanzen – ein hochaktuelles Thema im Klimawandel.“

Universität Bielefeld

Originalpublikation:

Marten Moore, Aaron B. Smith, Melanie Wegener, Pravin B. Khambalkar, Rebeccah Victoria Tyrrell, Brea Camille Watts, Samuel J. Nix, Hong Ting Tsang, Mohammad A. Farooq, Diep R. Ganguly, Robert T. Furbank, Maria Ermakova, Barry J. Pogson, Karl-Josef Dietz: Translation-dependent retrograde signaling coordinates high-light acclimation in plants. Molecular Plant. https://doi.org/10.1016/j.molp.2026.07.002

Phytoplankton wendet das Zwiebelschalen-Prinzip an

Tue, 14 Jul 2026 11:11:19 +0200

Sie sind sehr klein, deshalb wird ihre Bedeutung oft unterschätzt. Doch Mikroalgen betreiben rund die Hälfte der weltweit stattfindenden Photosynthese. Sie halten in dieser Hinsicht also locker mit der Gesamtheit aller Landpflanzen Schritt. Zudem bilden Mikroalgen – sogenanntes Phytoplankton – die Basis der meisten Nahrungsnetze in den Weltmeeren. 

Dabei gibt jede einzelne photosynthetisch aktive Zelle eine Vielzahl organischer Substanzen ab, die sich im Meerwasser allmählich von der Zelle wegbewegen. Rund um jede Mikroalge entsteht so eine kleine Wolke aus verschiedenen Stoffen. Forschende nennen sie Phycosphäre. Sie ist der Ort, an dem Mikroalgen und Bakterien bevorzugt miteinander interagieren. Diese Wechselwirkungen prägen den Kohlenstoffkreislauf in den Ozeanen. 

Vermessung der chemischen Landschaft 

Die Phycosphäre enthält chemische Signale, die von einer Vielzahl von Bakterien wahrgenommen werden können. Diese Bakterien folgen den Stoffen, um sich auf die Mikroalgen zuzubewegen, wo sie kohlenstoffhaltige organische Stoffe mit den Mikroalgen austauschen. «Die Phycosphäre ist einer der wichtigsten Marktplätze für organischen Kohlenstoff in den Meeren», sagt Roman Stocker, Professor am Institut für Umweltingenieurwissenschaften der ETH Zürich. 

Bisher ging die Forschung davon aus, dass dieser Marktplatz den Gesetzen der einfachen Diffusion folgt – und dass sich alle Substanzen nach demselben Muster verteilen: Demnach sind sie in unmittelbarer Umgebung der Mikroalge in höheren Konzentrationen zu finden, und mit zunehmendem Abstand von der photosynthetischen Zelle nehmen diese Konzentrationen allmählich ab.

Nun hat das Team um Stocker mithilfe eines technisch aufwendigen Verfahrens namens Raman-Mikrospektroskopie erstmals die Konzentrationen einer solchen Substanz – genannt Fucoxanthin – in der unmittelbaren Umgebung von einzelnen, lebenden Mikroalgenzellen aufgezeichnet und so die chemische Landschaft um das Phytoplankton genau vermessen. Ihre Ergebnisse präsentieren die Forschenden in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences. 

Wie eine Zwiebel 

Zu ihrer Überraschung stellten sie fest, dass die Konzentration an Fucoxanthin in der Nähe der Phytoplanktonzelle viel stärker ansteigt als erwartet. Dies deutet darauf hin, dass die Phycosphäre tatsächlich aus mehreren Schichten besteht. Sie sind wie Zwiebelschalen in immer grösseren kugelförmigen Hüllen um die Mikroalge in der Mitte gewickelt. Dabei bestimmen die chemischen Eigenschaften der abgegebenen Stoffe, wie weit sich die einzelnen Schichten ausdehnen.  

Die Forschenden kamen zum Schluss, dass es deutliche Unterschiede zwischen den Substanzen gibt: Nur wasserlösliche Stoffe wie Zucker oder Aminosäuren verhalten sich so, wie es man aufgrund der einfachen Diffusion erwarten würde. Ihre Konzentration nimmt sehr allmählich ab, je grösser der Abstand zu den Mikroalgen wird.

Anders ist es bei wasserabweisenden Stoffen wie Fucoxanthin, dasdass eines der wichtigsten Photosynthese-Pigmente in vielen Mikroalgen ist. Diese Substanz bleibt in der Nähe der Mikroalge stark konzentriert und ihre Konzentration nimmt rund zehn Mikrometer von der Zelloberfläche entfernt sehr stark ab. Wie ist das möglich? Zachary Landry und Riccardo Foffi, die beiden Erstautoren der Studie, stellten fest, dass eine dünne Schicht aus schleimartigen Stoffen rund um die Mikroalge dafür verantwortlich ist. 

Schleim mit doppelter Funktion 

Eine Art Schleim umhüllt die Mikroalge, der gemäss den Forschenden eine doppelte Funktion erfüllt: «Einerseits hilft er wasserabweisenden Stoffen, sich im Wasser zu verteilen», sagt Foffi. Andererseits halte der Schleim die Moleküle zurück – und hindere sie daran, sich von der Zelle weg zu bewegen, was zu den deutlich höheren Konzentrationen in der Nähe der Zelloberfläche führe.

«Dadurch entstehen viel stärkere chemische Signale», fügt Landry hinzu. «Sie machen es den Bakterien einfacher, die winzigen Mikroalgenzellen im Ozean zu finden.» Das verändert das bisherige Bild der Phycosphäre grundlegend. Den Forschenden zufolge haben ihre Ergebnisse wichtige Auswirkungen auf Modelle der Wechselwirkungen zwischen Phytoplankton und Bakterien. Zudem zeigen sie, dass gute experimentelle Arbeiten auch in einer zunehmend rechnergestützten Welt weiterhin wichtig bleiben. 

Die Studie zeigt, dass die unmittelbare Umgebung von Mikroalgen viel komplexer aufgebaut ist als bisher angenommen. Diese neuen Erkenntnisse könnten helfen, die Wechselwirkungen zwischen Mikroalgen und Bakterien – und damit einen wichtigen Teil des Kohlenstoffkreislaufs der Meere – besser zu verstehen.

ETH Zürich

Originalpublikation:

Landry ZC, Foffi R, Anelli V, Arosio P, Gil-Garcia M, Henshaw RJ, Müller O, Paccagnan G, Schneider TN, Schubert CJ, Słomkab J, Lee KS, Zambelli T, Zweifel S, and Stocker R.: Raman imaging of the phycosphere reveals sharp gradients of organic matter exuded by single phytoplankton cells, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.  (2026). https://doi.org/10.1073/pnas.2535317123

Gene folgen präzisen Schaltregeln

Mon, 13 Jul 2026 12:04:22 +0200

Eine Klimaanlage hat zwei Modi: aus und an. Draußen hat es 40 Grad. Ist die Klimaanlage aus, strömt die warme Luft durch den Raum. Ist sie aber eingeschaltet, feuert sie kalte 15 Grad. Wie lässt sich diese Klimaanlage nun aber so steuern, dass sie den Raum auf gemütlichen 25 Grad hält? Ingenieur:innen haben dafür eine Lösung, nämlich die sogenannte Pulsweitenmodulation. Dabei wechselt die Klimaanlage durch einen Schalter ständig zwischen „ganz an“ und „ganz aus“. Entscheidend ist, wie lange sie jeweils in einem dieser Zustände bleibt – der Durchschnitt macht die gewünschte Temperatur.

Vor einem ähnlichen Problem stehen Zellen, wenn sie ihre Gene regulieren (Genexpression). Ein neuer theoretischer Ansatz von Professor Gašper Tkačik und Postdoc Alexis Bénichou vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA), Benjamin Zoller und Thomas Gregor (Institut Pasteur und Princeton University) erklärt, wie dies funktionieren könnte. Dabei wurden die präzisen experimentellen Daten von Zoller und Gregor in diese theoretische Publikation einbezogen.

Zufällig – aber nach Protokoll

„Es gibt viele Modelle, die versuchen, zu erklären, wie Zellen exakt Gene ein- und ausschalten“, erklärt Gašper Tkačik. „Das Telegraf-Modell, beispielsweise, geht davon aus, dass die Gene in kurzen Ausbrüchen aktiviert werden. Gene ‚flackern‘ also zufällig zwischen an und aus – und bilden trotzdem in Organismen wie der Fruchtfliege extrem präzise Muster der Genregulation. Was aber nicht klar war: Warum sollte die Zelle die Genexpression überhaupt über so eine Strategie steuern? Wenn ein Gen zum Beispiel 80 Prozent aktiv sein soll, warum schaltet es dann nicht einfach dauerhaft auf 80 Prozent, sondern lässt es zwischen 0 und 100 Prozent flackern? Und selbst wenn genau das die Strategie ist, wie läuft dann dieses Schalten ab? Während Klimaanlagen auf technisch ausgefeilte Schalter zurückgreifen, die jederzeit präzise betätigt werden können, verfügen Zellen nicht über solche Komponenten. Sie können den genauen Zeitpunkt jedes Ein- oder Ausschaltvorgangs nicht festlegen, sondern lediglich die Wahrscheinlichkeit des Umschaltens modulieren.

Die neuen Forschungsergebnisse besagen, dass das Flackern der Gene nach einem bestimmten Prinzip organisiert ist, nämlich mit einer konstanten charakteristischen Zeitskala. „In der Physik bezeichnen wir dies als Korrelationszeit ‚Tc‘“, erklärt Tkačik. „Sie bleibt unabhängig vom gewünschten Expressionsniveau konstant und ermöglicht so eine sehr präzise Steuerung der Expression. Diese Entdeckung war eine große Überraschung, da sie im Widerspruch zu zuvor veröffentlichten Modellen steht.“ Das Schaltprogramm ist also, kurz gesagt, zufällig im einzelnen Moment, aber präzise im statistischen Durchschnitt.

Präzision benötigt Energie

Viele klassische Modelle gehen davon aus, dass Genexpression vor allem passiv angetrieben wird. Moleküle – sogenannte Transkriptionsfaktoren – docken mehr oder weniger zufällig an die DNA und lösen sich wieder. Dadurch wird ein Gen mal aktiver, mal weniger aktiv. Laut Tkačik ist diese passive Kontrolle im thermodynamischen Gleichgewicht, verbraucht also keine Energie, sondern ist im Equilibrium. Die beobachtete konstante Korrelationszeit in der Fruchtfliege lässt sich mit einfachen Gleichgewichtsmodellen aber schwer erklären. Bei eukaryotischen Zellen scheint es so zu sein, dass etwas komplexere Schemata benutzt werden.

Die neue Studie der Forscher:innen zeigt dafür eine neue theoretische Vorgehensweise, welche nahelegt, dass diese passive Sicht alleine nicht ausreicht. Dieses System läuft nicht einfach im thermodynamischen Gleichgewicht, sondern wird aktiv angetrieben und verbraucht Energie. Der nächste Schritt ist, diese theoretische Vorhersage auch experimentell zu untersuchen.

Laut Tkačik bleibt noch einiges zu tun, so etwa auch ein wirklich mechanistisches, physikalisches Rahmenmodell, in Form von Gleichungen, die an experimentelle Daten angepasst sind. Damit versuchen die Forschenden dann zu beschreiben, ob die stochastische Ein-Aus-Dynamik innerhalb einzelner Zellkerne dadurch verursacht wird, dass die Genregulation tatsächlich auf dem DNA-Polymer stattfindet. Zudem soll untersucht werden, wie eine solche Dynamik zu den hochpräzisen Genexpressionsmustern führen kann, die auf der Ebene eines gesamten Organismus beobachtet werden.

Institute of Science and Technology Austria

Originalpublikation:

Zoller et al. 2026. Invariant non-equilibrium dynamics in gene regulation optimize information flow. PNAS. DOI: 10.1073/pnas.2524855123, https://doi.org/10.1073/pnas.2524855123