Klein aber oho: Eine in einem Aquarium entdeckte Grünalge entpuppte sich als die kleinste Süßwasseralge der Welt. Die etwa einen Mikrometer großen Zellen enthalten nur ein Mitochondrium und einen Chloroplasten – an sich schon ungewöhnlich für Pflanzen. Zudem ist die DNA dieser Alge nur 15,8 Millionen Basenpaare lang, weshalb sie kürzer ist als die aller bisher bekannten Süßwasseralgen. Dennoch betreiben die als Medakamo hakoo bekannten Mikroalgen eine effiziente Photosynthese.
In Meeren, Seen und Flüssen vorkommende Mikroalgen bilden die Grundlage aquatischer Nahrungsketten: Während ihrer Photosynthese produzieren sie einen Großteil der Bionahrung für unzählige andere Organismen, ihre Sauerstoffproduktion erfolgt über Gewässer, Meere und die Atmosphäre . Auch Mikroalgen gelten als potenzielle Helfer gegen den Klimawandel, etwa weil sie Kohlendioxid aus Abgasen aufnehmen können. Trotz dieser grundlegenden Rolle sind bisher weniger als ein Drittel der Mikroalgen bekannt und beschrieben.
Mit CC4.0
Ein überraschender Fund in einem Heimaquarium
Shoichi Kato von der Universität Tokio und seine Kollegen haben nun eine ganz besondere Art dieser kleinen Bioaktoren entdeckt – an einem unerwarteten Ort. Denn die neue Art wurde nicht in einem abgelegenen Teil des Meeres oder in einem schwer zugänglichen Bergsee versteckt, sondern in einem ganz normalen heimischen Aquarium. Für ihre Studie nahmen die Forscher Wasserproben aus diesem Aquarium und kultivierten darin alle Algen.
Bereits bei den ersten fluoreszenzmikroskopischen Untersuchungen wurde festgestellt, dass eine Mikroalge einen besonders geringen und geringen DNA-Gehalt aufweist. Ihre Zellen waren kaum einen Mikrometer groß. „Dann haben wir die DNA dieser Algenart sequenziert und mit dem Erbgut anderer Mikroalgen verglichen“, erklärt Katos Kollege Sachihiro Matsunaga. Dabei stellte sich heraus, dass es sich bei der im Aquarium entdeckten Alge um eine neue, bisher unbekannte Art handelt. Er wurde Medakamo hakoo getauft.
Vereinfachte Zellstruktur und kleinstes Genom
Aber was noch spannender ist: Diese Alge stellte in mehrfacher Hinsicht einen Rekord auf. „Medakamo hakoo hat nur ein Mitochondrium für die Energiegewinnung und einen Chloroplasten für die Photosynthese“, berichtet Matsunaga. Im Gegensatz dazu enthalten normale Pflanzenzellen typischerweise mehrere Zellkraftwerke und Chloroplasten. „Das deutet darauf hin, dass es sich um eine Mikroalge mit einer extrem einfachen Zellstruktur handelt“, sagt Matsunaga.
Andererseits ist das Genom dieser Mikroalge extrem klein und einfach, wie DNA-Analysen zeigen. „Das Medakamo-Hakoo-Genom ist 15,8 Megabasenpaare lang und enthält 7.829 Gene“, berichteten die Forscher. Diese Mikroalge hat eines der kürzesten Genome aller grünen Pflanzen und das kleinste Genom aller Süßwasseralgen. Nur marine Mikroalgen haben kürzere Genome, 12,6 Millionen Basenpaare.
Den Analysen zufolge fehlen der Mikroalge Medakamo hakoo unter anderem einige Gene für die Zellkernhülle und die DNA-Histonverpackung. Es fehlen auch Anweisungen zum Aufbau von Phytochrom, einem Molekül, das in den meisten Pflanzen als Lichtsensor verwendet wird.
Mikroalgen sind extrem produktiv
Doch trotz oder gerade wegen dieser äußerst sparsamen Ausstattung ist die kleine Alge überaus fruchtbar. Laut Kato und seinem Team ist es sogar bei hoher Dichte zu einer effizienten Photosynthese fähig. Ein Grund dafür ist der einfache, aber stark mit dem Tag-Nacht-Zyklus synchronisierte Zellzyklus. „Das verhindert, dass der photosynthetische Elektronenfluss stagniert, da Licht- und Dunkelzyklen effektiv getrennt werden“, erklären die Forscher.
Ein weiterer Grund ist die hohe Lichttoleranz der Alge selbst. Sie besitzt ein Gen, das ihr ermöglicht, sich an starke Sonneneinstrahlung und eine entsprechend hohe Photosyntheserate anzupassen. „Dies deutet darauf hin, dass diese Alge einen einzigartigen Anpassungsmechanismus an starkes Licht hat“, schreiben die Wissenschaftler. Dies mag auch erklären, warum der Medakamo Hakoo trotz seiner einfachen Struktur so effektiv funktioniert.
Es ist auch für uns Menschen nützlich
Dadurch könnten die neu entdeckten Mikroalgen auch für uns Menschen nützlich sein: „Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften und ihrer extrem geringen Größe lässt sich Medakamo hakoo mit hohen Zelldichten züchten“, erklärt Matsunaga. „So lassen sich zum Beispiel algenbasierte Lebensmittel, Biokraftstoffe oder Kosmetika günstig herstellen.“ Die Forschungsgruppe plant bereits, diese Anwendungsmöglichkeiten genauer zu untersuchen.
Gleichzeitig liefern Mikroalgen wertvolle Informationen über die grundlegende Funktionsweise von Pflanzenzellen und die dafür erforderliche Minimalausstattung. „Dank dieser Studie wissen wir jetzt mehr darüber, wie viele Gene ein Organismus braucht, um in verschiedenen Umgebungen zu überleben und zu gedeihen“, erklärt Matsunaga. (Kommunikationsbiologie, 2023; doi: 10.1038/s42003-022-04367-9)
Quelle: Universität Tokio
