Neuer Biosensor misst mehr Phosphatidylsäure bei Stress

Es sind meist winzige Signalmoleküle, die bedeutende Rollen für die Vorgänge in Lebewesen spielen. Wie genau diese Stoffe funktionieren, ist aber häufig noch unbekannt. Deshalb sind Wissenschaftler stetig auf der Suche nach neuen Methoden mit denen sie ihnen weiter auf die Spur kommen können. Pflanzenforscher der Universitäten Münster und Nanjing (China) haben eine solche Methode für einen wichtigen Botenstoff in Pflanzen entwickelt – die Phosphatidylsäure.

Bedeutung der Phosphatidylsäure

Dieses Lipid nimmt im Organismus verschiedene Rollen ein: Es reguliert, wie sich die Membran einer Zelle bewegt oder biegt, steuert den Stoffwechsel der Pflanze und dient als Signalstoff, um Proteine zu regulieren. Mit den bisherigen Messmethoden konnten Forscher jedoch nicht herausfinden, welcher Anteil der Phosphatidylsäure eine Funktion für den Stoffwechsel hat und welcher Anteil als Signalstoff dient.

Mit dem neu entwickelten Biosensor lässt sich nun die Aktivität der Phosphatidylsäure erstmals räumlich und zeitlich nachverfolgen. Das ist vor allem dann von Bedeutung, wenn die Pflanze in einer Stresssituation, zum Beispiel trockenen oder salzigen Böden ausgesetzt ist. Die mit der neuen Methode ermittelten Messungen könnten zukünftig dabei helfen, Pflanzen zu züchten, die mit bestimmten Umweltbedingungen besser umgehen können.

So funktioniert der Sensor

Der Biosensor beruht auf dem Prinzip des Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfers (FRET). Es handelt sich bei dem Sensor um ein Biomolekül, das an der Zellmembran verankert ist und einen speziellen Bereich aufweist, um an die Phosphatidylsäure zu binden. Diese sogenannte Bindungsdomäne befindet sich zwischen zwei fluoreszierenden Proteinen, die blau und gelb leuchten, wenn sie mithilfe von Licht angeregt werden. Wenn Phosphatidylsäure an den Sensor bindet, verändert er seine Struktur, und die fluoreszierenden Proteine reagieren darauf: Das emittierte Licht wechselt seine Farbe. Daher trägt der neue Sensor auch den Namen „PAleon“ – abgeleitet aus der Abkürzung PA für Phosphatidylsäure und Chamäleon. Die entstehenden Signale messen die Wissenschaftler mit modernen Mikroskopiemethoden.

Konzentration der Phosphatidylsäure steigt bei Stress

Auf diese Weise sahen sich die Forscher unter anderem die Wurzeln und sogenannten Schließzellen von Ackerschmalwand-Pflanzen (Arabidopsis thaliana) an. Sie beobachteten unterschiedliche Regionen in der Wurzel und setzten sie verschiedenen Reizen aus, erhöhten zum Beispiel die Salzmenge. Die unter dem Mikroskop sichtbar gewordenen Farben zeigten an, ob und wie sich die Phosphatidylsäure jeweils in ihrer Verteilung und Konzentration veränderte. Erhöhte sich der Salzstress für die Pflanzen, stieg auch die Konzentration der Phosphatidylsäure in ihren Wurzeln an.

Mit ihrem neuen Verfahren fanden die Wissenschaftler bereits heraus, dass die erhöhte Aktivität eines bestimmten Enzyms, der Phospholipase D, wichtig für Pflanzen ist, um sich an Salzstress anpassen zu können. Darüber hinaus steht der Stoff offensichtlich im engen Zusammenhang mit dem pH-Wert einer Zelle. „Mit unserer Methode konnten wir bereits grundlegende neue Einsichten in die Mechanismen der Salztoleranz von Pflanzen erhalten“, betont Studienleiter Prof. Dr. Wenhua Zhang von der chinesischen Nanjing Agricultural University. Das Verfahren dürfte in den meisten pflanzlichen Organismen anwendbar und auch auf tierische Zellen und Organismen übertragbar sein.