Klein, aber fein: Eine in einem Aquarium gefundene Grünalge entpuppt sich als das kleinste Stück Süßwasser der Erde. In den etwa einen Mikrometer großen Zellen gibt es nur ein Mitochondrium und einen Chloroplasten – das ist bei Pflanzen normal. Außerdem ist die DNA dieser Alge 15,8 Millionen Basisröhrchen lang und damit kürzer als jede bisher bekannte Süßwasseralge. Die Mikroalge namens Medakamo hakoo betreibt jedoch eine effiziente Photosynthese.
Mikroalgen in Ozeanen, Seen und Flüssen bilden die Grundlage aquatischer Nahrungsketten: Ihre Photosynthese produziert einen großen Teil der organischen Nahrung für viele andere Organismen, und ihre Sauerstoffproduktion ist sehr wichtig für die restlichen Gase von Gewässern, Meeren und Atmosphären. Mikroalgen gelten als hilfreiche Mittel gegen den Klimawandel, weil sie beispielsweise Kohlendioxid aus Abgasen aufnehmen können. Trotz dieser wichtigen Rolle wurden bisher weniger als ein Drittel aller Mikroalgenarten identifiziert und beschrieben.
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Gesehen in einem Heimaquarium
Shoichi Kato von der Universität Tokio und seine Kollegen entdeckten eine besondere Art dieser kleinen Bioplayer – an einem unerwarteten Ort. Denn die neue Art versteckt sich nicht fernab des Meeres in einem schwer zugänglichen Bergsee, sondern in einem gewöhnlichen heimischen Aquarium. Für ihre Studie nahmen die Forscher Wasserproben aus diesem Aquarium und kultivierten darin alle Algen.
Bereits in ersten fluoreszenzmikroskopischen Untersuchungen stellte sich heraus, dass eine Mikroalge sehr klein und DNA-arm war. Ihre Zellen sind weniger als einen Mikrometer groß. „Dann haben wir die DNA dieser Algenart sequenziert und mit dem Genom anderer Mikroalgen verglichen“, sagt Katos Kollege Sachihiro Matsunaga. Dies zeigte, dass die im Aquarium gefundene Alge neu war und noch nie zuvor gesehen wurde. Taufe Medakamo hakoo.
Einfache Zellstruktur und sehr kleines Genom
Aber noch spannender: Diese Alge bricht in vielerlei Hinsicht den Rekord. „Medakamo hakoo hat nur ein Mitochondrium für die Energieerzeugung und einen Chloroplasten für die Photosynthese“, sagte Matsunaga. Im Gegensatz dazu haben normale Pflanzen Pflanzenstammzellen und Chloroplasten. “Dies zeigt, dass es sich um eine Mikroalge mit einer sehr einfachen Zellstruktur handelt”, sagte Matsunaga.
Andererseits ist das Genom dieser Mikroalge klein und einfach, wie DNA-Analysen zeigen. „Das Genom von Medakamo hakoo ist 15,8 Megabasenpaare lang und enthält 7.829 Gene“, berichteten die Forscher. Diese Mikroalge hat eines der kürzesten Genome aller Grünpflanzen und das kleinste Genom aller Süßwasseralgen. Das Genom einer einzelnen marinen Mikroalge ist mit 12,6 Millionen Basen relativ kurz.
Der Mikroalge Medakamo hakoo fehlen der Analyse zufolge unter anderem einige Gene für die Kernhülle der Zelle und für die Histonmarkierung der DNA. Es enthält kein Phytochrom, ein Molekül, das in den meisten Pflanzen als Lichtsensor verwendet wird.
Am wertvollsten sind Mikroalgen
Aber trotz oder wegen dieser wertvollen Eigenschaften sind kleine Algen produktiver. Selbst in großer Höhe kann es effektiv Photosynthese betreiben, wie Kato und sein Team demonstrierten. Ein Grund dafür ist der einfache, aber stark auf den Tag-Nacht-Rhythmus abgestimmte Zellzyklus. „Dadurch wird verhindert, dass der photosynthetische Elektronenfluss stagniert, da Licht- und Dunkelzyklen gut voneinander getrennt sind“, erklären die Forscher.
Ein weiterer Grund ist die hohe Toleranz der Algen selbst gegenüber starkem Licht. Es hat ein Gen, das es ihm ermöglicht, sich an starkes Sonnenlicht und eine hohe Photosyntheseleistung anzupassen. „Dies deutet darauf hin, dass diese Alge einen einzigartigen Anpassungsmechanismus an starkes Licht hat“, schreiben die Wissenschaftler. Dies könnte erklären, warum Medakamo Hakoo mit seiner Einfachheit so gut funktioniert.
Es ist für uns Menschen notwendig
Dadurch können die neu entdeckten Mikroalgen für uns Menschen genutzt werden: „Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften und ihrer sehr geringen Größe lässt sich Medakamo hakoo in hohen Zelldichten kultivieren“, erklärt Matsunaga. „Damit lassen sich zum Beispiel Lebensmittel auf Algenbasis, Biokraftstoffe oder einfache Kosmetik herstellen.“ Das Forschungsteam plant, diese Anwendungen genauer zu untersuchen.
Gleichzeitig liefern Mikroalgen auch wertvolle Informationen über die normale Funktion von Pflanzen und die dafür benötigten Mikronährstoffe. „Dank dieser Forschung haben wir erneut eine kleine Anzahl von Genen entdeckt, die für das Überleben und Wachstum in verschiedenen Arten notwendig sind“, erklärt Matsunaga. (Biology Communications, 2023; doi: 10.1038/s42003-022-04367-9)
Quelle: Universität Tokio
