Der Stress des Lebens

Woran denken Sie, wenn Sie an Stress denken? An Last-Minute-Geschenke, eine bevorstehende Präsentation oder die U-Bahn in der Rush Hour? 

Stress haben wir immer dann, wenn die Welt uns vor eine Herausforderung stellt – eine Erfahrung, die wir mit allen Lebewesen teilen. Während wir große und kleine Sorgen wälzen, tobt etwa im Reich der allerkleinsten Wesen ein tödliches Wettrüsten zwischen Mikroben und Viren. Auch Pflanzen stehen ständig unter Druck: Sie können vor den Fressfeinden nicht weglaufen, müssen Krankheitserreger oder Parasiten abwehren und gleichzeitig ihre Photosynthese optimieren, trotz permanenter Temperatur- und Lichtschwankungen. Wie kommt das Leben zurecht in einer sich ständig ändernden Umwelt? 

Am Beispiel der Mikroorganismen und Pflanzen erklären die Mikrobiologin Isabelle Zink sowie der Biochemiker und Systembiologe Wolfram Weckwerth vom Department für Funktionelle und Evolutionäre Ökologie der Uni Wien die verblüffenden Anti-Stress-Strategien des Lebens. Einige davon liefern auch mögliche Antworten auf Fragen, die unsere eigene Anpassungsfähigkeit herausfordern – von der Medizin bis hin zur Ernährungssicherheit und dem Klimawandel.

Mikroben im Stress

Was ein Bakterium im Laufe seines Lebens durchmacht, lässt sich anhand der am besten erforschten Mikrobe erzählen: E. coli. Am wohlsten fühlt es sich bei 37 Grad Celsius im Darm von Menschen und anderen warmblütigen Tieren. Außerhalb dieser Komfortzone droht aber Ungemach: "Jede Veränderung, die das normale Funktionieren der Zelle beeinträchtigt, ist biologisch gesehen ein Stressfaktor", sagt die Mikrobiologin Isabelle Zink. "Bei Hitze verlieren die Proteine in der Zelle ihre spezifische Form und damit ihre Funktion. Kälte wiederum verändert oft die Form der mRNA (Boten-RNA), weshalb sie nicht ordentlich abgelesen und in Proteine 'übersetzt' werden kann."

Beides sind schlechte Nachrichten, da Proteine die molekularen Maschinen sind, die Prozesse in der Zelle steuern. "Die Zelle stellt dann schützende Proteine her", erklärt Zink. "Etwa Hitzeschockproteine, die anderen Proteinen helfen, in der richtigen Form zu bleiben. Auf der anderen Seite gibt es Kälteschockproteine, die gewährleisten, dass mRNA trotz Kälte abgelesen wird." So kann die Zelle innerhalb eines Toleranzbereichs ungünstige Temperaturen überleben. Mehr als 60 °C macht E. coli und den meisten anderen Bakterien über kurz oder lang den Garaus, was bei der Pasteurisierung von Lebensmitteln ausgenutzt wird.

Stress ist relativ

Isabelle Zinks Lieblings-Einzeller sind jedoch aus anderem Holz geschnitzt: Archaeen – sie sehen zwar aus wie Bakterien, doch sind evolutionär näher mit uns Menschen verwandt. Und einige unter ihnen sind wahre Überlebenskünstler: Die Hyperthermophilen zum Beispiel, also "besonders hitzeliebende" Vertreter, sind spezialisiert auf Temperaturen über 80 °C. Eine Spezies vermehrt sich gar bei 122 °C an den Wänden von "Unterwasservulkanen" in der Tiefsee. Andere gedeihen in extrem sauren, basischen oder salzigen Gewässern, bei hoher Schwermetallkonzentration, unter hohem Druck oder bei radioaktiver Strahlung: Thermococcus gammatolerans, ebenfalls ein Bewohner der Tiefsee, überlebt mehr als das tausendfache der für Menschen tödlichen Strahlendosis.

Dass Leben unter solchen Bedingungen möglich ist, zeigt: Was für die einen Mikroben extrem ist, ist für andere normal. Andererseits können thermophile Archaeen sich bei den 37 °C, die für E. coli perfekt sind, nicht vermehren. Stress ist relativ, je nachdem, in welcher ökologischen Nische man sich eingerichtet hat. 

Mikroben vs. Viren und die Entdeckung der Genschere

Vor ihren größten Feinden sind Bakterien und Archaeen jedoch nirgends sicher: Viren. Sie sind keine Lebewesen, sondern verpacktes, infektiöses Erbgut (DNA oder RNA) und in jedem Winkel der Welt zu finden. Isabelle Zink veranschaulicht ihre zahlenmäßige Vorherrschaft: "Prokaryoten – also Bakterien und Archaeen – sind die häufigsten Zellen überhaupt, es gibt etwa neunmal so viele davon wie Sterne in der Galaxie. Viren toppen das: Auf jede Mikrobe kommen im Schnitt bis zu 13 Viren." 

Um sich Viren vom Leib zu halten, haben auch Mikroben Immunsysteme entwickelt. Eines davon ist "CRISPR-Cas", das inzwischen als "Genschere" berühmt ist. Der Spitzname verrät es: CRISPR ist eine molekulare Maschine, die DNA schneiden kann. Zum Beispiel die eines Virus, das dadurch unschädlich gemacht wird. 

Zwar haben Mikroben viele Virenabwehrsysteme (siehe Infobox) – CRISPR-Cas aber ist besonders, erklärt Isabelle Zink: "Es 'erinnert' sich an eine Virusspezies, welche die Zelle schon einmal befallen hat, und rückt dem Eindringling bei einer erneuten Infektion noch intensiver zu Leibe – ein bisschen so, wie Menschen nach einer Impfung Antikörper bilden. CRISPR ist der Impfpass der Mikroben." 

Tools für die medizinische Diagnostik

Isabelle Zink hat sich den Abwehrsystemen von Archaeen verschrieben. Aktuell beschäftigt sie, dass CRISPR neben Virenabwehr auch steuern könnte, wie stark Gene in der Zelle abgelesen werden. "Außerdem stellt sich die Frage, wie verschiedene Abwehrsysteme zusammenspielen", fügt Zink hinzu, "jede Mikrobenspezies hat im Durchschnitt mindestens sechs verschiedene. Bisher hat man die Systeme nur einzeln betrachtet. Es gilt aber, sich das kollektive Immunsystem anzuschauen – da will ich mit meiner Forschung hin."

Die mikrobiellen "Firewalls" sind auch für die Anwendung spannend: Während ihres Schrödinger-Fellowship-Projekts im niederländischen Wageningen hat Zink ein sogenanntes Argonaut-Abwehrsystem für diagnostische Anwendungen patentiert. "Will man in einer Probe eine bestimmte Genvariante nachweisen, etwa eine krebsauslösende Mutation, kann unser Tool selbst kleinste Mengen davon aufspüren: Das Argonaut-System baut gezielt die DNA der gesunden Genvarianten im Reagenzglas ab, während die Mutation erhalten bleibt. Diese kann dadurch besser, und vielleicht früher, in der Diagnostik erkannt werden." Auch die Forensik, wo Genvarianten zur Personenidentifikation genutzt werden, ist eine mögliche Anwendung.

Pflanzen: Grüne Anpassungskünstler

Die einfachste Art für unser E.coli-Bakterium, Stress aus dem Weg zu gehen, ist Wegschwimmen. Im Gegensatz dazu sind Pflanzen sessil und bleiben an Ort und Stelle ‒ doch gerade das macht sie so interessant, weiß der Biochemiker und Systembiologe Wolfram Weckwerth: "Aufgrund ihrer Sesshaftigkeit haben Pflanzen die mitunter komplexesten zellulären Anpassungsprozesse entwickelt. Das erklärt auch ihren Erfolg: Pflanzen machen mindestens 80% der gesamten Biomasse der Erde aus, das sind ca. 450 Milliarden Tonnen Kohlenstoff. Bakterien und Archaeen bilden ca. 80 Milliarden Tonnen Biomasse und Tiere einschließlich Menschen ca. zwei Milliarden."

Wie komplex die Strategien der grünen Anpassungskünstler sind, zeigt das Beispiel Trockenstress: Bei Wassermangel oder Hitze bilden gestresste Zellen verstärkt das Hormon Abscisinsäure. Dieses setzt Prozesse in Gang, die weiteren Wasserverlust verhindern: Die mikroskopischen Spaltöffnungen in den Blättern, durch die Pflanzen das für die Photosynthese benötigte CO₂ einatmen, aber auch Wasser durch Verdunstung verlieren, schließen sich. Das Wachstum der Wurzeln und ihre Wasserleitfähigkeit werden angekurbelt, gleichzeitig das Sprosswachstum der Pflanze gehemmt. 

Die Bildung des Hormons wird wiederum durch das Zusammenspiel unzähliger Signalmoleküle gesteuert. "Daran sind sogenannte Proteinkinasen beteiligt ‒ Enzyme, die das Startsignal für eine Kaskade an zellulären Signalen geben, die eine Stressantwort auslösen", erklärt der gelernte Chemiker. "Diese sind auch in Aktion, wenn Viren, Bakterien oder Pilze vom Immunsystem der Pflanze abgewehrt werden. Pflanzen haben im Schnitt drei- bis viermal so viele Proteinkinasen wie der Mensch. Daran sieht man, wie vielfältig die molekularen Mechanismen sind, mit denen sie auf Stress reagieren."

Perlhirse: Ein zukunftsfittes Getreide

Wir Menschen seien gut beraten, die Stressbiologie der Pflanzen besser zu verstehen, betont Weckwerth; nämlich "um die regionale und globale Ernährungssicherheit, und somit die individuelle und planetare Gesundheit zu gewährleisten". Erstens basiert unsere Ernährung global wesentlich auf einigen wenigen Kulturpflanzen wie Weizen, Reis, Mais und Soja, auch indirekt als Tierfutter. Das bedeutet eine unausgewogene Bereitstellung von Kalorien und Nährstoffen. Zweitens: Um zu wachsen, holen Pflanzen im Rahmen der Photosynthese CO₂ aus der Luft. So sind sie die größte Kohlenstoffsenke der Erde und damit ein globaler Faktor, die klimawandelbedingte Erwärmung einzugrenzen." Der springende Punkt: Wie effizient die Photosynthese funktioniert, hängt von der Stressresilienz ab.

Da die Weltbevölkerung bis Ende des Jahrhunderts wachsen wird, muss die Landwirtschaft der Zukunft mehr Menschen auf weniger Fläche ernähren. "Wir müssen daher die Erträge stabilisieren und steigern – trotz Klimawandel, der unsere Pflanzen stresst", erklärt der Biologe, der Mitglied in den Forschungsverbunden "Environment and Climate Research Hub" (ECH) und "Gesundheit in Gesellschaft" ist.

Gängige Sorten von Feldfrüchten wie etwa Weizen wurden zwar für hohen Ertrag gezüchtet, sind aber gleichzeitig stressanfällig. Weckwerth und sein Team interessieren sich daher für sogenannte "orphan crops": Das sind Sorten mit Zukunftseigenschaften, die aber derzeit nur lokal genutzt werden. Eine davon ist die Perlhirse, die besonders trockenresistent ist und etwa in der Sahelzone angebaut wird. Sie besitzt auch einen viel höheren Eisenanteil im Vergleich zu gängigen Getreidesorten.

In Feldversuchen haben die Forschenden getestet, ob Perlhirse auch hierzulande gedeiht: "Die Samen hatten Probleme mit den Kälteperioden im Frühjahr", erklärt der Biologe. "Dann haben wir im Mai ausgesät und siehe da: Die Hirse keimte, wuchs schneller als Mais und bereits Ende August konnten wir ernten." 

Die Suche nach klimaresistenten Sorten

Die Stärke der Perlhirse: Bei Trockenheit ist ihre Photosynthese effizienter als bei heimischen Gräsern wie Weizen. Das liegt einerseits an einer besonderen Blattanatomie, anderseits an ihrer Fähigkeit, Chlorophyllabbau zu verhindern: Während Weizenblätter bei Wassermangel welken, bleibt die Perlhirse grün. Weckwerth und sein Team konnten das Profil der aktiven Signalwegen und Proteine in der Perlhirse aufschlüsseln, die für diesen "Stay-Green-Effekt" charakteristisch sind.

"Mit dem Grundlagenwissen, das wir aufbauen, wollen wir langfristig Züchtungsprogramme ermöglichen, die die Ernährungssicherheit verbessern", sagt Weckwerth. "Wir haben viele Signalwege entschlüsselt, die diese Trockenresistenz erzeugen. Mithilfe unserer Partnerorganisationen, die über die global größten Sortensammlungen verfügen, können wir von der genetischen Vielfalt bestehender Sorten profitieren. Wir können etwa Weizensorten identifizieren, die die benötigten Resistenz-Signalwege haben. Diese Eigenschaften kann man dann in die gängigen Weizenlinien einkreuzen, um ihre Stressresistenz zu verbessern."

Pflanzen und ihr Mikrobiom: Ein Superorganismus

Für einen anderen, noch wenig erforschten Aspekt der Pflanzengesundheit, kommen wieder die allgegenwärtigen Mikroben ins Spiel: Das Innere und Äußere einer Pflanze sowie der Boden um ihre Wurzeln ist Lebensraum von Bakterien, Archaeen und anderen Kleinstlebewesen. "Tatsächlich sind die Evolution und Physiologie der Pflanzen so eng mit ihren Mikrobiomen verbunden, dass wir von einem 'Superorganismus' reden können, dem 'Holobiont'", erklärt Wolfram Weckwerth. 

Für die Pflanzenperformance scheint besonders das Bodenmikrobiom entscheidend zu sein. Einerseits gibt es wachstumsfördernde Mikroben. Durch ihren Stoffwechsel und Signalstoffe fördern sie das Pflanzenwachstum oder stellen für Pflanzen nutzbare Ressourcen wie Phosphat oder Stickstoff bereit. Andere Mikroben wiederum entziehen Pflanzen den Stickstoff, indem sie Ammonium zu Nitrat umwandeln, welches schnell aus dem Boden in das Grundwasser ausgewaschen wird – in der heutigen Landwirtschaft ein massives Umweltproblem.

Pflanzen wiederum scheinen massiv Ressourcen in ihre winzigen Mitbewohner zu stecken: "Durch die Wurzeln geben sie enorm viele photosynthetisch erzeugte Stoffe in den Boden ab", sagt Weckwerth. "Unsere Studien weisen darauf hin, dass Pflanzen über diese Stoffwechselprodukte, sogenannte Wurzelexudate, ihr Mikrobiom 'steuern': Nützliche Mikroben werden durch die Stoffe angelockt, das Wachstum von unerwünschten unterdrückt".

Optimierte Pflanzen für gestresste Ökosysteme

"Durch die Wurzelausscheidungen scheinen Pflanzen einen Hebel zu haben, ihre Fitness zu verbessern", sagt Weckwerth. Seine Vision ist, diese Fähigkeit in unseren Kulturpflanzen zu verbessern. Wie auch bei der Trockenresistenz betrachten die Forschenden dafür die genetische Vielfalt bereits vorhandener Sorten. "In einem Panel von 50 verschiedenen Weizenlinien konnten wir eine enorme Variabilität der Wurzelexudate nachweisen. Jede Linie hatte auch ein individuelles Mikrobiom."

In einer groß angelegten Studie mit 300 verschiedenen Weizenlinien wollen die Forschenden und ihre internationalen Kollaborateure nun herausfinden, welche Pflanzengene und Signalwege das Bodenmikrobiom steuern. Mit diesem Wissen können im Rahmen von Zuchtprogrammen resiliente Sorten mit optimiertem Mikrobiom entwickelt werden.

"Diese Sorten können Mikroorganismen, die ihnen den Stickstoff wegnehmen, sogenannte Nitrifizierer, reduzieren, weil sie hemmende Wurzelexudate erzeugen", nennt Weckwerth ein Beispiel. Dadurch haben diese Pflanzen eine bessere Stickstoffaufnahmekapazität und gleichzeitig gelangt weniger Nitrat in das Grundwasser. Solche Pflanzen auf den Feldern wären ein Trumpf für höhere Erträge und im Kampf gegen die Stickstoff-Umweltkrise durch Überdüngung. Gleichzeitig dürfen nützliche Mikroben nicht unterdrückt werden - etwa solche, die Methan, ein sehr starkes Treibhausgas, in das weniger schädliche CO₂ umwandeln. 

Die Komplexität der Pflanzen-Mikroben-Beziehungen zeigt: Je mehr wir über diese beiden so unterschiedlichen und doch so eng verflochtenen Lebensformen wissen, desto mehr können wir von ihren erstaunlichen Anpassungen profitieren. "Wir dürfen eines nicht vergessen", stellt Wolfram Weckwerth klar: "Das Reich der Pflanzen bindet jährlich ca. 157 Milliarden Tonnen CO₂ aus der Luft durch die Photosynthese, einschließlich des menschengemachten CO₂. Wenn wir den Klimawandel besser in den Griff kriegen wollen, müssen wir mit diesem Ökosystem arbeiten."