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Die Forscher der Colorado State University untersuchen, wie diese widerstandsfähigen Mikroben – die eine der drei überlebenden Domänen des Lebens darstellen – ihre Gene exprimieren, ihre Energie produzieren und in heißen, lichtlosen Umgebungen gedeihen.

Es stellt sich heraus, dass wir uns – biochemisch gesehen – gar nicht so sehr von Archaeen unterscheiden.

Santangelo, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Biochemie und Molekularbiologie, gehörte zu einem Team, das verblüffende Parallelen zwischen der Art und Weise fand, wie Archaeen und komplexere Zellen, einschließlich der von Menschen und Tieren, ihr genetisches Material verpacken und speichern. Die bahnbrechende Studie, die Anfang des Jahres in Science veröffentlicht wurde, lieferte den Beweis, dass Archaeen und eukaryotische Zellen einen gemeinsamen Mechanismus zur Verdichtung, Organisation und Strukturierung ihrer Genome haben.

Die Studie wurde von Karolin Luger geleitet, die jetzt als Strukturbiologin an der University of Colorado Boulder arbeitet. Die meisten der Ergebnisse, über die in Science berichtet wird, wurden während Lugers Zeit als CSU-Fakultätsmitglied von 1999 bis 2015 fertiggestellt.

Ein kleiner Rückblick auf die Biologie der Oberstufe: Eukaryoten sind Zellen mit einem Zellkern und membrangebundenen Organellen, und zu ihnen gehören Pilz-, Pflanzen- und Tierzellen – einschließlich der menschlichen -. Sie unterscheiden sich von ihren weniger komplexen Gegenstücken, den Prokaryoten, durch das Fehlen eines Zellkerns. Obwohl Archaeen und Bakterien beide Prokaryoten sind, sind sie nur entfernt miteinander verwandt. Archaeen sind die wahrscheinlichen Vorläufer der Eukaryoten und teilen viele der gleichen Proteine, die die Genexpression steuern.

Einer der grundlegendsten Prozesse des Lebens – die Mechanik, mit der sich die DNA biegt, faltet und in einen Zellkern zwängt – ist allen Eukaryoten gemeinsam, von mikroskopischen Protisten über Pflanzen bis hin zum Menschen.

Im Inneren des Zellkerns jeder eukaryontischen Zelle befinden sich mehrere Meter genetisches Material, das auf eine ganz bestimmte Art und Weise verdichtet ist. Kleine Abschnitte der DNA sind, wie ein Faden um eine Spule, etwa zweimal um acht kleine Proteine, die Histone, gewickelt. Dieser gesamte DNA-Histon-Komplex wird als Nukleosom bezeichnet, und ein Strang aus verdichteten Nukleosomen heißt Chromatin. 1997 berichteten Luger und Kollegen erstmals über die genaue Struktur der eukaryotischen Nukleosomen mittels Röntgenkristallographie.

Wissenschaftler John Reeve hatte in den 1990er Jahren entdeckt, dass Histon-Proteine nicht auf Eukaryoten beschränkt sind, sondern auch in kernlosen Archaeen-Zellen vorkommen. Reeves und Luger begannen eine Zusammenarbeit, um das histonbasierte Chromatin von Archaeen zu kristallisieren und diese Struktur mit eukaryotischem Chromatin zu vergleichen.

Nach jahrelangem Hin und Her und Schwierigkeiten bei der Züchtung zuverlässiger Archaeen-Histon-Kristalle – Luger nannte es ein „knorriges kristallographisches Problem“ – gelang es den Wissenschaftlern, die Struktur des Archaeen-Chromatins aufzulösen und seine strukturelle Ähnlichkeit mit Eukaryoten aufzudecken.

In den Daten schien die Archaeen-DNA lange, kurvige, sich wiederholende Superhelices zu bilden. Die Forscher waren sich nicht sicher, ob die Struktur real oder ein Artefakt des Experiments war. An dieser Stelle lieferte Santagelos Team an der CSU wichtiges Fachwissen.

„Meine Gruppe nahm die Herausforderung an, zu bestimmen, ob die in den Kristallen aufgelöste Struktur eine biologisch sinnvolle Struktur darstellt“, sagte er.

Santangelos Team stellte Varianten der archäischen Histone her und testete, wie es den Zellen erging, als sie die DNA-Superhelix aufbrachen. Sie fanden heraus, dass die Zellen umso kränker wurden, je mehr sie die Struktur destabilisierten. Ihre Bemühungen unterstrichen die Vorzüge der von Lugers Gruppe ermittelten Struktur.

Teil eines Teams zu sein, das so fundamentale Erkenntnisse über die Herkunft unserer Zellen lieferte, gehörte zu den lohnendsten Momenten in Santangelos Karriere.

„Die wichtigste Auswirkung der Arbeit ist, glaube ich, dass die Idee, die DNA in diese Strukturen zu pressen, eine sehr alte Idee ist – wahrscheinlich mehr als 1 Milliarde Jahre alt“, sagte Santangelo. „Histon-Proteine kamen auf die Bildfläche, und sobald sie in die Genome eindrangen und anfingen, sie zu verpacken, machten sie sich für die Zellen, die sie kodierten, weitgehend unentbehrlich.“

Santangelo wird weiterhin Studien über die Struktur, die Funktion und die Energietransaktionen von Archaeen durchführen – jenen uralten Seefahrern, die nun definitiv einen Vorläufer der menschlichen zellulären Aktivität darstellen.