Es werde Licht: Forscher haben herausgefunden, was Pilze zum Leuchten bringt. Demnach nutzen die biolumineszenten Organismen ein simples System aus nur vier Enzymen, um Licht zu produzieren. Mit diesem Wissen und gentechnischem Werkzeug lassen sich nun auch die Zellen anderer Lebewesen zum Leuchten bringen. Dies eröffnet eine Vielzahl neuer Möglichkeiten im Bereich der Biotechnologie, wie das Team berichtet.
Worüber sich Erfinder wie Thomas Edison noch im 19. Jahrhundert den Kopf zerbrachen, hat die Natur bereits seit mehreren Millionen Jahren für sich patentiert: die Erzeugung von Licht. Das Phänomen der Biolumineszenz ist im Tierreich weit verbreitet. Forscher haben das Leuchten bereits bei Insekten, Quallen, Meereswürmern und auch Pilzen beobachtet. Diese Organismen nutzen ihre Leuchtfähigkeit, um Beute anzulocken, Feinde zu erschrecken, miteinander zu kommunizieren oder sich zu tarnen.
Wie aber kommt ihre Biolumineszenz überhaupt zustande? Inzwischen sind rund 40 unterschiedliche chemische Mechanismen bekannt, über die die Natur Licht produziert. Ein Großteil davon ist jedoch erst in Teilen verstanden – so auch bei den Leuchtpilzen. Um das zu ändern, haben sich Alexey Kotlobay von der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau und seine Kollegen der Biolumineszenz dieser Wesen nun genauer gewidmet.
Nur vier Enzyme
Dabei fanden sie heraus, dass das Leuchtsystem der Pilze offenbar erstaunlich simpel ist: Sie nutzen im Wesentlichen nur vier Enzyme, um Licht zu produzieren. Konkret identifizierten die Wissenschaftler die auch aus anderen Organsimen bekannte Luciferase sowie drei weitere Schlüsselenzyme. Diese drei Enzyme produzieren in zwei Schritten aus Kaffeesäure Luciferin – ein Molekül, das Licht emittiert, wenn es oxidiert wird.
Für die Oxidation dieser Substanz sorgt die Luciferase: Sie veranlasst durch ihre katalytische Aktivität, dass das Luciferin zu energiereichen, instabilen Verbindungen reagiert. Beim Zerfall dieser Verbindungen kommt es dann zur Biolumineszenz, wie Kotlobay und sein Team berichten.
Ein leuchtender Hefestamm
In einem weiteren Schritt identifizierte das Forscherteam die Gene, die den Bauplan für die entscheidenden Enzyme enthalten. Diese Gene schleusten sie anschließend in das Erbgut von anderen Organismen ein, um auch diese zum Leuchten zu bringen. Durch einen Trick klappte dies sogar bei Arten, die selber gar keine Kaffeesäure produzieren.
Zum Beispiel Hefen: Im Versuch bauten die Wissenschaftler sowohl die fürs Leuchten notwendigen Gene als auch Gene, die für die Synthese von Kaffeesäure nötig sind, in das Genom der Hefeart Pichia pastoris ein. „Das Ergebnis war ein Hefestamm, der selbständig leuchtete“, schreiben sie.
Von Bäumen bis zu Tumorgewebe
Mit der Entschlüsselung des Leuchtpilz-Systems ist es nun theoretisch möglich, jedes eukaryotische Lebewesen künstlich zum Leuchten zu bringen. „Die Expression der Gene des entschlüsselten Pilz-Mechanismus ist für andere eukaryotische Zellen nicht toxisch und könnte künftig für biotechnologische Anwendungen genutzt werden“, konstatieren Kotlobay und seine Kollegen.
So wäre es in Zukunft beispielsweise denkbar, Straßen mit Alleen aus leuchtenden Bäumen zu säumen – oder in der Medizin Gewebe dazu zu bringen, bösartige Veränderungen durch ein Leuchten anzuzeigen und so etwa das Wachstum von Tumoren zu verfolgen. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018; doi: 10.1073/pnas.1803615115)
(AKSON Russian Science Communication Association/ PNAS, 27.11.2018 – DAL)
