Die injizierten Grünalgen (grün) sitzen wie eine Perlenkette in den Blutgefäßen (magenta). Quelle: Özugur et al./iScience
Photosynthetisierende Algen, die in die Blutgefäße von Kaulquappen injiziert werden, versorgen ihr Gehirn mit Sauerstoff.
Frösche, die ein Doppelleben im Wasser und an Land führen, haben im Laufe ihres Lebens viele Atemtechniken – durch Kiemen, Lungen und Haut. Jetzt haben deutsche Wissenschaftler eine weitere Methode entwickelt, die Kaulquappen „atmen“ lässt, indem sie Algen in ihren Blutkreislauf einbringen, um Sauerstoff zuzuführen. Die entwickelte Methode wurde am 13. Oktober in der Zeitschrift vorgestellt iScience, lieferte genügend Sauerstoff, um Neuronen im Gehirn von Kaulquappen mit Sauerstoffmangel effektiv zu retten.
„Die Algen produzierten tatsächlich so viel Sauerstoff, dass sie, wenn man so will, die Nervenzellen wieder zum Leben erwecken könnten“, sagt Seniorautor Hans Straka von der Ludwig-Maximilians-Universität München. „Für viele Leute klingt es nach Science-Fiction, aber schließlich ist es genau die richtige Kombination aus biologischen Schemata und biologischen Prinzipien.“
Straka untersuchte den Sauerstoffverbrauch in Kaulquappengehirnen von afrikanischen Krallenfröschen (Xenopus laevis), als ein Gespräch beim Mittagessen mit einem Botaniker auf die Idee kam, Pflanzenphysiologie mit Neurowissenschaften zu kombinieren: die Kraft der Photosynthese zu nutzen, um Nervenzellen mit Sauerstoff zu versorgen. Die Idee schien nicht weit hergeholt. In der Natur leben Algen harmonisch in Schwämmen, Korallen und Anemonen und versorgen sie mit Sauerstoff und sogar mit Nährstoffen. Warum nicht bei Wirbeltieren wie Fröschen?
Während deutsche Forscher Grünalgen in ein schlagendes Kaulquappenherz injizieren, färben sich die Adern des durchsichtigen Tieres allmählich grün. Bei Beleuchtung können die Algen Sauerstoff produzieren. Quelle: Özugur et al./iScience
Um die Möglichkeit zu erkunden, injizierte das Team Grünalgen (Chlamydomonas renhardtii) oder Cyanobakterien (Synechozystis) in die Herzen der Kaulquappen. Mit jedem Herzschlag krochen die Algen durch die Blutgefäße und erreichten schließlich das Gehirn, wodurch die durchscheinende Kaulquappe hellgrün wurde. Das Beleuchten dieser Kaulquappen veranlasste beide Algenarten, Sauerstoff in nahegelegene Zellen zu pumpen.
Nach der Verteilung der Algen an das Gehirn isolierten die Forscher den Kopf der Kaulquappe und legten ihn in ein Sauerstoffsprudelbad mit essentiellen Nährstoffen, die die Funktion der Zellen erhalten würden, sodass das Team die neuronale Aktivität und den Sauerstoffgehalt überwachen konnte. Als die Forscher den Sauerstoff aus dem Bad verbrauchten, hörten die Nerven auf zu feuern und verstummten. Das Beleuchten des Kaulquappenkopfes startete die neuronale Aktivität jedoch innerhalb von 15 bis 20 Minuten wieder, was etwa zweimal schneller ist als das Auffüllen des Bades mit Sauerstoff ohne die Algen. Auch die wiederbelebten Nerven schnitten genauso gut oder sogar besser ab als vor dem Sauerstoffmangel, was zeigt, dass die Methode der Forscher schnell und effizient war.
„Mit dieser Methode ist es uns gelungen, das Proof-of-Principle-Experiment zu zeigen. Es war erstaunlich zuverlässig und robust und in meinen Augen ein schöner Ansatz“, sagt Straka. „Grundsätzlich zu arbeiten bedeutet nicht wirklich, dass man es am Ende anwenden könnte, aber es ist der erste Schritt, um ein weiteres Studium anzustoßen.“
Während die Forscher glauben, dass ihre Ergebnisse eines Tages zu neuen Therapien für Erkrankungen führen könnten, die durch Schlaganfälle oder sauerstoffarme Umgebungen wie Unterwasser und Höhenlagen verursacht werden, sind Algen noch lange nicht bereit, in unseren Blutkreislauf einzudringen. Der nächste Schritt des Teams besteht darin, zu sehen, ob die injizierten Algen in lebenden Kaulquappen überleben und die Sauerstoffproduktion fortsetzen können, ohne eine Immunreaktion auszulösen, die die Tiere verwüstet.
Straka stellt sich auch vor, dass seine Forschung anderen Labors zugute kommt, die mit isolierten Geweben oder Organoiden arbeiten. Die Einführung sauerstoffproduzierender Algen könnte diesen Geweben helfen, zu gedeihen und ihre Überlebensraten zu erhöhen, wodurch möglicherweise der Bedarf an lebenden Tieren für Experimente verringert wird.
„Man muss neue Ideen und neue Konzepte haben, die es zu erforschen gilt; dies ist einer der Wege, wie die Wissenschaft vorangetrieben wird“, sagt Straka. „Wenn man aufgeschlossen ist und es durchdenkt, sieht man plötzlich alle Möglichkeiten einer Idee.“
Referenz: „Grüne Sauerstoffkraftwerke im Gehirn retten neuronale Aktivität“ von Suzan Özugur, Myra N. Chávez, Rosario Sanchez-Gonzalez, Lars Kunz, Jörg Nickelsen und Hans Straka, 13. Oktober 2021, iScience.
DOI: 10.1016/j.isci.2021.103158
Diese Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung und dem Münchner Zentrum für Neurowissenschaften gefördert.
