Umweltstress: Protein schützt Regenwürmer

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03.05.2013
Weil sie sich mit Hilfe eines Proteins schützen können, überleben Regenwürmer zum Beispiel auch in mit Schwermetallen belasteten Böden. Mit dem selben molekularen Mechanismus stellen Forscher nun auch leuchtende Nanoteilchen her.
Foto: Der Regenwurm wappnet sich mit Hilfe eines Proteins gegen Umweltstress. (Foto: Erwin Meyer)

Bis zu 2.000 Regenwürmer leben auf einem Quadratmeter Erde. Sie bauen organische Stoffe ab, lockern den Boden und durchmischen die Erde. Deshalb sind Regenwürmer auch von großer Bedeutung für das Ökosystem Boden. Soll die Bodenqualität untersucht werden, richten Forscher ihren Blick auch auf den Regenwurm. „Es gibt eine Reihe von Studien, die Eiweiße im Regenwurm analysieren, um die Belastung eines Bodens zu beurteilen“, sagt Dr. Martina Höckner vom Institut für Zoologie der Universität Innsbruck. „Eines dieser Proteine gehört zur Familie der Metallothioneine, die unter anderem Schwermetalle binden können.“ Es ist besonders dann häufig in den Zellen von Regenwürmern zu finden, wenn die Tiere Umweltstress ausgesetzt sind. Sie helfen den Würmern zum Beispiel dabei, giftige Schwermetalle wieder loszuwerden. „Wir wissen, dass unter anderem auch Regenwürmer dieses Protein für die Entgiftung verwenden“, sagt Höckner.

Umweltgift Cadmium

„Die Schwermetalle werden an dieses Eiweiß gebunden und über verschiedene Transportwege auch wieder aus dem Körper ausgeschieden“, erklärt die Forscherin, die diesen Mechanismus beim Regenwurm seit einiger Zeit am Beispiel des giftigen Cadmiums untersucht. Dieses Schwermetall wird heute industriell vielfältig eingesetzt und gelangt zum Beispiel im Bergbau, durch Dünger und Pestizide oder Batterien in die Umwelt. Auch Zigarettenrauch enthält erhebliche Mengen an Cadmium. „Das Protein schützt vor der Wirkung des giftigen und krebserregenden Metalls.“ Die Wissenschaftlerin möchte jetzt verstehen lernen, wie dieser molekulare Mechanismus genau funktioniert.

Wichtiger Prozess

Dazu nutzt die Zoologin verschiedene genetische und molekularbiologische Methoden. Dies ist im Detail möglich geworden, weil das Erbgut des Regenwurms vor kurzem entschlüsselt wurde. So kann man überprüfen, welche molekularen Faktoren für die Produktion des Eiweißes verantwortlich sind. „Wir wollen diesen Regulationsmechanismus im Regenwurm richtig verstehen“, sagt sie.
Weil Metallothioneine in der Evolution stark konserviert wurden - sie also im gesamten Tierreich vorkommen - sind diese Untersuchungen auch für den Menschen interessant. Dieses Protein bindet nicht nur Schwermetalle wie Cadmium, Quecksilber und Silber, sondern auch das für den Menschen lebenswichtige Zink, das über den selben Regulationsmechanismus dem Körper zur Verfügung gestellt wird. „Dieses Protein ist wirklich multifunktional“, sagt Martina Höckner. „Es wurde zum Beispiel auch in manchen Tumoren gehäuft gefunden, könnte also bei diesen Erkrankungen ebenfalls eine wichtige Rolle spielen.“

Nanoteilchen herstellen

Gemeinsam mit Wissenschaftlern am King’s College in London hat die Innsbrucker Regenwurm-Forscherin diesen molekularen Mechanismus nun auch für ein ganz anderes Vorhaben ausgenutzt. In der Biomedizin werden häufig fluoreszierende Stoffe eingesetzt, um bestimmte Moleküle in Zellen zu markieren und so Prozesse unter dem Mikroskop gezielt zu analysieren. Die Stoffe im Labor zu produzieren kann mitunter sehr aufwändig sein. Es wurden schon bisher Bakterien und Pilze verwendet, um diese Verbindungen herzustellen. Nun wollten die Wissenschaftler überprüfen, ob auch höhere Tiere in der Lage sind, die fluoreszierenden Stoffe zu produzieren. Der Entgiftungsmechanismus des Regenwurms schien dafür der geeignete Kandidat zu sein. „Wir haben den Würmern Cadmium und Tellur verabreicht, und tatsächlich bildeten sich in den Zellen der Tiere solche fluoreszierenden Stoffe“, erzählt Höckner. „Und nicht nur das: Die leuchtenden Nanoteilchen sind wasserlöslich und haben deshalb für den Einsatz in der Biomedizin die idealen Eigenschaften.“ Dieses überraschende Ergebnis wurde deshalb auch in Nature Nanotechnology, einer renommierten Wissenschaftszeitschrift, veröffentlicht. Höckner und ihre Kollegen gehen davon aus, dass die beiden vom Regenwurm aufgenommenen Metalle an den Metallothioneinen binden und so die begehrten Nanoteilchen entstehen. Nun wollen sie dieses Experiment auch mit anderen Metallen durchführen und so Teilchen mit neuen Eigenschaften herstellen.

Umweltproteomik

„Im Zentrum steht für mich aber immer die Frage danach, wie dieser molekulare Mechanismus der Entgiftung tatsächlich funktioniert und reguliert wird“, sagt die junge Wissenschaftlerin. Dafür wird sie im Sommer auch für mehrere Monate in die USA reisen, um eine neue Untersuchungsmethode kennenzulernen: „In der dort praktizierten Umweltproteomik wird nicht nur ein einzelnes Protein analysiert, sondern die Summe aller bei Umweltstress gebildeten Proteine“, sagt Höckner. „Ich werde dann Untersuchungen bei unterschiedlichen Temperaturen und Schwermetallbelastungen durchführen.“ So könnte man weitere an dem Entgiftungsmechanismus in Regenwürmern beteiligte Eiweiße entdecken.

Zur Person

Martina Höckner, geboren 1979 in Innsbruck, studierte Biologie an der Universität Innsbruck. Ihre Doktorarbeit schrieb sie am Department für Medizinische Genetik, Molekulare und Klinische Pharmakologie der Medizinischen Universität Innsbruck. Nach der Promotion forschte sie mehrere Jahre am Institut für Zoologie in Innsbruck, bevor sie mit einem Schrödinger-Stipendium des österreichischen Wissenschaftsfonds FWF für ein Jahr an das King’s College in London ging. Seit September 2012 ist Martina Höckner Universitätsassistentin an der Universität Innsbruck. Im Juli geht sie mit einem Fulbright-Stipendium für ein halbes Jahr an die California Polytechnic State University.

Dieser Artikel ist in der April-Ausgabe des Magazins „wissenswert“ erschienen. Eine digitale Version ist hier zu finden (PDF).

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(cf)