Chronobiologie: Uhr im Glas

Alles hat seine Zeit - das gilt sogar für so einfache Organismen wie Cyanobakterien, die wie fast alle Arten über einen inneren Zeitgeber verfügen. Wie diese einfachste der biologischen Uhren tickt, blieb bisher rätselhaft. Doch jetzt gelang der Nachbau im Reagenzglas.

Andreas Jahn

Egal ob Maus, Mensch, Moskito oder Maiglöckchen – so gut wie jeder Organismus verfügt über eine innere Uhr, die genau bestimmt, wann die rechte Zeit für Aktivitäten oder die nötige Bettruhe angebrochen ist. Dabei geht sie bei tagaktiven Arten, wie dem Menschen, ein wenig vor und muss daher tagtäglich durch das Sonnenlicht nachjustiert werden. Mit anderen Worten: Der innere Rhythmus dauert ungefähr einen Tag – er ist zirkadian (circa diem; lat.: um den Tag herum).

Synechococcus elongatus | Die Cyanobakterien Synechococcus elongatus verfügen über einen einfachen, aber zuverlässigen inneren Taktgeber.

Dass nun auch Mikroorganismen, die nicht von regelmäßiger Müdigkeit heimgesucht werden und sich auch nicht an periodische Blühzeiten halten müssen, über zirkadiane Rhythmen verfügen, überrascht zunächst. Doch auch hier kann ein Terminkalender über das Leben bestimmen: So ist es für Cyanobakterien durchaus sinnvoll, nur dann Fotosynthese zu betreiben, wenn ein neuer Tag Licht verspricht, um sich in der dunklen Zeit des Tages auf lichtunabhängige Prozesse wie die Stickstofffixierung konzentrieren zu können.

Im Jahr 1998 konnten japanische Wissenschaftler schließlich auch die entsprechenden bakteriellen Uhrgene herausfischen: kaiA, kaiB und kaiC – wie die Gene nach dem japanischen Wort für Zyklus genannt wurden – scheinen den Tagesablauf der Cyanobakterienart Synechococcus elongatus zu bestimmen. Bisher vermuteten die Forscher einen ähnlichen Mechanismus, wie er auch für Säuger und Fliegen bekannt ist. Hier aktivieren und hemmen die Produkte der Uhrgene sich gegenseitig, sodass eine zyklische Genaktivität resultiert.

Uhr von Synechococcus elongatus | Die innere Uhr von Synechococcus elongatus besteht lediglich aus drei Proteinen und dem Energieträger ATP: KaiA födert die Übertragung von Phosphatgruppen auf KaiC; KaiB hemmt diese Phosphorylierung. Im richtigen Mischungsverhältnis werden KaiC-Moleküle abwechselnd phosphoryliert und dephosphoryliert. Der resultierende Takt dauert etwa 24 Stunden; er ist zirkadian.

Doch die bakterielle Uhr tickt ein wenig anders, wie die Biologen um Masato Nakajima von der Universität Nagoya jetzt herausfanden: Kernstück der Uhr – quasi die Unruhe – ist KaiC, ein ringförmiges, aus sechs Untereinheiten zusammengesetztes Protein. Es zeichnet sich durch die Eigenschaft aus, Phosphatgruppen anlagern und wieder abgeben zu können. Das Protein KaiA unterstützt nun diese Autophosphorylierung von KaiC, während sie von KaiB gehemmt wird. Alle drei zusammen sollten daher in einem periodischen Wechselspiel enden, bei dem eine Phosphatgruppe wie ein Tischtennisball ständig zwischen phosphorylierten und dephosphorylierten KaiC-Molekülen hin- und herspringt.

Nach diesem einfachen Küchenrezept gelang es den Forschern sogar, aus den drei Bausteinen den Taktgeber im Reagenzglas nachzubauen, indem sie KaiA, KaiB und KaiC im Verhältnis 1:1:4 mischten. Es fehlte nur noch eine Phosphat- und Energiequelle – in Form von ATP –, und die Uhr im Glas legte los.

Überraschenderweise erwies sich dieser simple Mechanismus – der wie gewünscht im 24-Stunden-Rhythmus, also zirkadian tickte – als erstaunlich robust. Denn im Gegensatz zu den meisten biochemischen Reaktionen zeigte die Bakterienuhr nur eine geringe Temperaturabhängigkeit: Bei 30 Grad Celsius lief sie nur geringfügig schneller als bei 25 Grad und bewies damit ihre universelle Einsatzfähigkeit – einfach, aber zuverlässig.