Eine internationale Studie zur Funktionsweise von lichtempfindlichen Proteinen, bekannt als Cryptochrome, wurde kürzlich veröffentlicht. Die Forschung wurde unter der Leitung von Professor Dr. Lars-Oliver Essen von der Philipps-Universität Marburg durchgeführt. Die National Taiwan University (NTU) und weitere internationale Wissenschaftler waren aktiv an der Studie beteiligt. Ziel der umfassenden Forschungsarbeit ist es, das Verständnis des Tag-Nacht-Rhythmus und der biologischen Uhr bei Lebewesen zu erweitern.
Die Ergebnisse zeigen auf, dass Cryptochrome eine Schlüsselrolle bei der Regulierung des Tagesrhythmus und lichtabhängiger Prozesse in Pflanzen, Tieren und anderen Organismen spielen. Laut uni-marburg.de wird Licht in chemische Signale umgewandelt, was entscheidend für die innere Uhr vieler Lebewesen ist. Diese Umwandlung erfolgt durch komplexe Lichtreaktionen.
Mechanismen der Lichtwahrnehmung
Bei der Studie wurde die Reihenfolge der Reaktionen offenbar, die durch Lichteinfall ausgelöst werden. Insbesondere wurden zwei zentrale Mechanismen identifiziert: der „N395/FAD-Schalter“, der die Protonierungsroute (TPP) aktiviert und das Radikalpaar stabilisiert, sowie der „D321/Y373-Schalter“, der die Helix destabilisiert und den Signalzustand einleitet. Diese Vorgänge sind essenziell, um die komplexen biologischen Rhythmen zu steuern, die Organismen benötigen, um sich im Einklang mit ihrer Umwelt zu verhalten.
Die zurückliegenden Untersuchungen haben gezeigt, dass die Cryptochrome nicht nur im tierischen Bereich, sondern auch in Pflanzen von großer Bedeutung sind. Diese Flavin-haltigen Photorezeptoren sind strukturell ähnlich zu Photolyasen, die UV-geschädigtes DNA reparieren, und sind in vielen Organismen von Archaeen über Bakterien bis hin zu Pflanzen und Tieren zu finden. Ihre Funktion reicht von der Regulierung von Prozessen wie der Keimung und Blütezeit bis zur Anpassung an Lichtverhältnisse, was die Rolle der zirkadianen Uhr unterstreicht.
Die zirkadiane Uhr der Pflanzen ist ein internes Zeitmesssystem, das physiologische Prozesse an den Licht-Dunkel-Zyklus anpasst. Diese Uhr hilft Pflanzen, sich auf regelmäßige Veränderungen in ihrer Umgebung, wie Tag und Nacht sowie Jahreszeiten, vorzubereiten. Sie beeinflusst essentielle Prozesse, darunter die Photosynthese und den Stoffwechsel, und wird durch Lichtsignale synchronisiert, die von verschiedenen Lichtrezeptoren wahrgenommen werden. Diese Mechanismen ermöglichen es den Pflanzen, ihre Gene entsprechend der Tageszeit zu regulieren und ihre Entwicklung anzupassen (pflanzenforschung.de).
Bedeutung der Forschung
Die Ergebnisse dieser Studie haben weitreichende Implikationen. Sie könnten erklären, wie Cryptochrome es Vögeln ermöglichen, Magnetfelder für die Navigation zu nutzen, und sie bieten neue Ansätze zur Behandlung von durch den Tagesrhythmus bedingten Krankheiten. Dies schließt eine bessere Einsicht in die Funktionsweise der zirkadianen Uhr ein, die nicht nur in Pflanzen, sondern in vielen lebenden Organismen eine zentrale Rolle spielt.
Die Forschung wurde teilweise durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie Förderorganisationen aus Taiwan, Japan und den USA unterstützt. Hochmoderne Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFEL), die weltweit nur an wenigen Standorten verfügbar sind, wurden verwendet, um die hochauflösenden Schnappschüsse zu erstellen, die für die Untersuchungen entscheidend waren. Dies hebt hervor, wie innovative Technologien den wissenschaftlichen Fortschritt in der Erforschung der biologischen Uhren vorantreiben können.
Dieser bemerkenswerte Fortschritt in der Wissenschaft wurde in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht und kann unter dem DOI 10.1126/sciadv.adu7247 abgerufen werden.
