AG Botanik - Fachbereich 5 Biologie - Universität Osnabrück

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AG Botanik - Fachbereich 5 Biologie - Universität Osnabrück

Impressum

Herausgeber: Universität Osnabrück

Fachbereich Biologie / Chemie

Barbarastraße 11

49076 Osnabrück

Redaktion: apl. Prof. Dr. S. Engelbrecht-Vandré

Titelbild: Isolierte Protoplasten aus Blättern

von Arabidopsis thaliana

(R. Scheibe, Pflanzenphysiologie

Universität Osnabrück)

Gestaltung: Rothe Grafik

Stand: Dezember 2011

Fotos: S. 11, 19, 35, 41, 47 – Michael Münch/

Pressestelle Universität Osnabrück


Kontakte Biologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Entwicklung und Profil der Biologie . . . . . . . . . . . . . 6

Biologie

Biochemie

Prof. Dr. Christian Ungermann . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

apl. Prof. Dr. Siegfried Engelbrecht-Vandré . . . . . . . 10

Biologiedidaktik

Jun.-Prof. Dr. Susanne Menzel . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Biophysik

Prof. Dr. Jacob Piehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Botanik/Entwicklungsbiologie

Prof. Dr. Sabine Zachgo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

apl. Prof. Dr. K. Mummenhoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Genetik

Prof. Dr. Jürgen Heinisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Mikrobiologie

Prof. Dr. Michael Hensel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Mitochondriale Dynamik

Jun.-Prof. Dr. Karin Busch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Molekulare Mikrobiologie

Jun.-Prof. Dr. Sabine Hunke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Neurobiologie

Prof. Dr. Roland Brandt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Ökologie

Prof. Dr. Anselm Kratochwil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Inhaltsverzeichnis

Pflanzenphysiologie

Prof. Dr. Renate Scheibe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Tierphysiologie

Prof. Dr. Helmut Wieczorek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

apl. Prof. Dr. Hans Merzendorfer . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Verhaltensbiologie

Prof. Dr. Judith Korb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Zoologie/Entwicklungsbiologie

Prof. Dr. Achim Paululat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

apl. Prof. Dr. Günter Purschke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Der Botanische Garten

Prof. Dr. Sabine Zachgo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Sonderforschungsbereich 944 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Promovieren in Biologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Kooperation Schule – Universität . . . . . . . . . . . . . . 50

Zur deutschen Ausgabe des »Campbell« . . . . . . . . . 52


Kontakte

Dekanat Biologie

Dekan:

Prof. Dr. Jacob Piehler

Raum 35/E18A

Tel.: +49 (0)541 969-2834

dekan@biologie.uni-osnabrueck.de

Studiendekanin:

Prof. Dr. Judith Korb

Raum 35/147

Tel.: +49 (0)541 969-3496

studiendekan@biologie.uni-osnabrueck.de

Prodekan:

Prof. Dr. Helmut Wieczorek

Tel.: +49 (0)541 969-3501

helmut.wieczorek@biologie.uni-osnabrueck.de

Prädekan:

Prof. Dr. Michael Hensel

Tel.: +49 (0)541 969-3940

michael.hensel@biologie.uni-osnabrueck.de

Dekanatsverwaltung:

Dekanat Biologie

Barbarastraße 11, 49076 Osnabrück

Marianne Marx (Leitung)

Raum 35/E18B

Tel.: +49 (0)541 969-2833, Fax -2433

marianne.marx@biologie.uni-osnabrueck.de

Yvonne Kirchhoff

Raum 35/E18C

Tel.: +49 (0)541 969-2821, Fax -2433

yvonne.kirchhoff@biologie.uni-osnabrueck.de

Birte Pahlmann

Raum 35/E19

Tel.: +49 (0)541 969-2548, Fax -2433

birte.pahlmann-dekanat@biologie.uni-osnabrueck.de

Marion Scott

Raum 35/E19

Tel.: +49 (0)541 969-2832, Fax -2433

marion.scott-dekanat@biologie.uni-osnabrueck.de

Kontakte

Prüfungsamt Biologie

Vorsitzender:

apl. Prof. Dr. Klaus Mummenhoff

Raum 35/E46

Tel.: +49 (0)541 969-2856

klaus.mummenhoff@biologie.uni-osnabrueck.de

Verwaltung:

Jutta Holle

Raum 35/E45

Tel.: +49 (0)541 969-2831, Fax - 2433

pruefungsamt@biologie.uni-osnabrueck.de

Dörthe van Eyck

Raum 35/E45

Tel.: +49 (0)541 969-2831, Fax - 2433

pruefungsamt@biologie.uni-osnabrueck.de

Sprechzeiten: Mo, Do 10.00-12.00 Uhr, Di 13.00-15.00 Uhr

Studienberatung Biologie

Bachelor (Ein-Fach & Zwei-Fächer), Master:

PD Dr. Thomas Krüppel

Raum 36/235

Tel.: +49-(0)541 969-2881

thomas.krueppel@biologie.uni-osnabrueck.de

Sprechzeiten: Mi 13.00-14.00 Uhr und nach Vereinbarung

Lehramtsstudiengänge (außer Zwei-Fächer-Bachelor):

Dr. Dominique Remy

Raum 67/117

Tel.: +49-(0)541 969-2829

dominique.remy@biologie.uni-osnabrueck.de

Sprechzeiten: nach Vereinbarung

Fachschaft Biologie/Chemie:

Barbarastraße 11, 49076 Osnabrück

Tel.: +49-(0)541 969-2252

fachschaft@cip.biologie.uni-osnabrueck.de


Entwicklung und Profil

der Biologie

Die Universität Osnabrück entstand Anfang der siebziger Jahre

aus einer Abteilung der Pädagogischen Hochschule Niedersachsen.

Das Fach Biologie existierte daher zunächst nur als »Didaktik

der Biologie« zusammen mit Angewandter Mathematik,

Theoretischer Physik und Chemie als Teil eines Fachbereichs

»Naturwissenschaften/Mathematik/Dynamische Systeme«. Im

Jahr 1976 beschloss dieser Fachbereich die Einrichtung eines

eigenständigen Studienganges Biologie einschließlich des Lehramtes

Sekundarstufe II und eines Diplomstudienganges.

Mit dem zügigen personellen Ausbau der Universität in den

folgenden Jahren wurden die Zuständigkeiten für weitere Studiengänge

neu zugeordnet und auf einzelne Fachbereiche übertragen,

darunter der neue »Fachbereich Biologie/Chemie«. Dem

Beschluss der Landesregierung, den Ausbau der Universität

Osnabrück auf Naturwissenschaften, Wirtschafts- und Rechtswissenschaften

zu konzentrieren, folgte bald die Errichtung gut

konzipierter Neubauten für die Naturwissenschaften, darunter

auch die Biologie. Im Jahr 1983 wurden fast gleichzeitig das

Biologiegebäude und das in unmittelbarer Nähe liegende Physik/Chemie-Gebäude

am Westerberg bezogen.

6

Entwicklung

Die Auswahl der 13 biologischen Fachdisziplinen erlaubte das

Einwerben von drei lückenlos aufeinander folgenden Sonderforschungsbereichen

während der letzten 27 Jahre. Dadurch

prägte die Osnabrücker Biologie das Forschungsprofil der Universität

wesentlich mit. Ein erheblicher Teil der Drittmittel der

gesamten Universität wird durch Wissenschaftler aus der Biologie

beantragt und eingebracht. Die Osnabrücker Biologie belegte

in der Forschungsrangliste des Zentrums für Hochschulentwicklung

(CHE) bei den eingeworbenen Drittmitteln pro Wissenschaftler/in

den 3. Platz unter 49 Universitäten. Bei 6 von

insgesamt 16 Kriterien liegt sie in der Spitzengruppe. Das Profil

der Osnabrücker Biologie wird zudem durch inzwischen drei

Niedersachsenprofessuren deutlich (Angewandte Genetik der

Mikroorganismen, Biophysik, Mikrobiologie, siehe Folgeseite).

Auch in der Lehre kann die Biologie mit überdurchschnittlichen

Leistungen aufwarten. Das zeigt sich sowohl an ihrem

hohen Anteil an der Gesamtbilanz der universitären Abschlüsse,

einschließlich Dissertationen und Habilitationen, als auch einem

Platz in der Spitzengruppe der CHE-Rangliste. 2010 haben die

Dozenten der Biologie die gemeinschaftliche Überarbeitung

eines Standardlehrbuches vorgelegt.

Als einer der ersten deutschsprachigen Fachbereiche hat die

Osnabrücker Biologie konsekutive Bachelor- und Masterstudiengänge

eingerichtet und 2010 die in den Vorjahren gewonnenen

Erkenntnisse in die grundlegend reformierten Studiengänge

»Biowissenschaften« eingebracht.

Ehemalige Hochschullehrer der Biologie

Altendorf, Karlheinz Mikrobiologie 01. 09. 1980 - 30. 09. 2009 *

Bakker, Evert Mikrobiologie 01. 01. 1981 - 30. 09. 2009 Ruhestand

Bakker-Grunwald, Ottilie Biochemie 01. 08. 1988 - 24. 02. 2006 †

Hurka, Herbert spez. Botanik 01. 10. 1982 - 30. 09. 2005 Ruhestand

Junge, Wolfgang Biophysik 01. 05. 1979 - 30. 09. 2007 *

Lengeler, Joseph Genetik 01. 12. 1983 - 30. 09. 2002 Ruhestand

Lieth, Helmut Ökologie 24. 11. 1977 - 31. 03. 1992 Emeritierung

Lueken, Wolfgang Tierphysiologie 01. 10. 1976 - 30. 09. 1997 Emeritierung

Schrempf, Hildgund Angew. Genetik 20. 01. 1989 - 31. 03. 2010 *

Schröpfer, Rüdiger Ethologie 15. 10. 1976 - 30. 09. 2007 Emeritierung

Werries, Eckhard Biochemie 01. 10. 1976 - 30. 09. 2000 Ruhestand

Westheide, Wilhelm Friedrich spez. Zoologie 07. 04. 1983 - 31. 03. 2003 Ruhestand

*Niedersachsenprofessur


Niedersachsenprofessuren

Altendorf, Karlheinz

Diplomchemiker (1967), Promotion (1970, Chemie), Ha bilitation

(1977, Mikrobiologie, Universität Tübingen). Pro fes sur (H3) Biochemie

von Regulationsvorgängen (1977-1980, Ruhr-Universität

Bochum), Professur (C4) Mikrobiologie (Universität Osnabrück,

1980-2009). Nds.-Professur (2009-2012). Forschung über Struktur

und Funktion von ATP-Synthasen, Kaliumtransport, Regulationsvorgänge

bei Bakterien und über mikrobielle Ökologie, über

200 Publikationen. Teilprojektleiter SFB 171 (1984-1998) und

SFB 431 (1999-2007), Sprecher des SFB 431 (»Membranproteine:

Funktionelle Dynamik und Kopplung an Reaktionsketten«, 1999-

2004). Senator der Stiftung Niedersachsen, Mitglied des wissenschaftlichen

Beirats des Alfried Krupp Wissenschaftskollegs

Greifswald und des Instituts für Forschungsinformation und Qualitätssicherung

DFG, Vorsitzender des Fachbeirats des MPI für

marine Mikrobiologie Bremen (1994-2011) und des »Moshe Shilo

Center for Marine Biogeochemistry« (The Hebrew University Jerusalem),

Fachgutachter für Mikrobiologie (DFG, 2000-2008).

Forschungssemester an der Stanford University, University of

Madison, University of Illinois in Chicago. Mitglied zahlreicher

biochemischer und mikrobiologischer Gesellschaften. Max-

Planck Forschungspreis, Welcome Visiting Professorship in the

Basic Medical Sciences der Canadian Federation of Biological

Societies.

http://www.biologie.uni-osnabrueck.de/Mikrobiologie/Altendorf/

Karlheinz Altendorf Wolfgang Junge

Junge, Wolfgang

Diplomingenieur in Physik (1965), Promotion (1968) und Habilitation

(1971) in Physikalischer Chemie an der Technischen Universität

Berlin. Visiting scientist und visiting professor an der

Johnson Foundation/University of Pennsylvania; University of

Illinois/Urbana Champaign; Gulbenkian Foundation Lissabon;

Cefobi Rosario/Argentinien. Professur (AH4) Biophysikalische

Chemie (TU Berlin, 1973-1978), Professur (C4) Biophysik (Universität

Osnabrück, 1979-2007). Nds.-Professur (2009-2012).

Forschung über Photosynthese, molekulare Bioenergetik und

Membranbiologie, über 260 Publikationen. Sprecher des SFB 171

(»Membrangebundene Transportprozesse in Zellen«, 1984-1998).

Ex-Mitglied des IUPAB board, Ex-Präsident der International

Society of Photosynthesis Research, Ex-Kurator der VW-Stiftung,

Ex-Mitglied des wissenschaftlichen Beirats zweier Max-Planck

Institute: Bio anorganische Chemie (Mülheim) und Biophysik

(Frankfurt, Vorsitz), Mitglied der European Molecular Biology

Organization sowie mehrerer biophysikalischer, biochemischer

und physikochemischer Gesellschaften. Röntgenpreis, Niedersachsenpreis,

Peter-Mitchell-Medal, Boris-Rajewsky-Preis, Bundesverdienstkreuz

1. Klasse.

http://www.biologie.uni-osnabrueck.de/Biophysik/Junge/

Schrempf, Hildgund

http://www.biologie.uni-osnabrueck.de/AngewandteGenetik/

7

Niedersachsenprofessuren


Literaturauswahl

Cabrera, M., and Ungermann, C.

(2010) Guiding endosomal maturation.

Cell 141, 403-406.

Markgraf, D., Ahnert, F., Arlt, H.,

Marie, M., Peplowska, K., Epp, N.,

Griffith, J., Reggiori, F., and Ungermann,

C. (2009) The CORVET subunit

Vps8 cooperates with the

Rab5 homolog Vps21 to induce

clustering of late endosomal compartments.

Mol. Biol. Cell 20,

5276-89.

Hou, H., John Peter, A.T., Meiringer,

C.,M., Subramanian, K., and Ungermann,

C. (2009) Analysis of

DHHC acyltransferases implies

overlapping substrate specificity

and a two-step reaction mechanism.

Traffic 10, 1061-73.)

Cabrera, M., Ostrowicz, C., Muri,

M. Reggiori, F., an Ungermann, C.

(2009) Vps41 phosphorylation

and the Rab Ypt7 control the targeting

of the HOPS complex to

endosome-vacuole fusion sites.

Mol. Biol. Cell 20, 1937-48..

Meiringer, C.M., Auffarth, K., Hou,

H., and Ungermann, C. (2008) Depalmitoylation

of the SNARE Ykt6

prevents its entry into the multivesicular

body pathway. Traffic 9,

1510-21.

Kontakt

Prof. Dr. Christian Ungermann,

apl. Prof. Dr. Siegfried Engelbrecht-Vandré,

apl. Prof. Dr. Henning

Scholze

Telefon: +49 (0)541 969 2794

(Sekretariat Frau Keller)

E-Mail: ungermann@biologie. -

uni- osnabrueck.de,

engelbrecht@biologie.uniosnabrueck.de,scholze@biologie.uniosnabrueck.de

Internet: http://www.uni-osnabrueck.de

8

Biochemie

AG Biochemie

Molekulare Zellbiologie

Menschliche Zellen sind genau wie ein Wohnhaus oder eine Industrieanlage in Funktionsräume

unterteilt, die sogenannten Kompartimente. Zellen sind auf den Aufbau und

Erhalt dieser Kompartimente zwin gend angewiesen. Das erfordert Transportmechanismen,

eine Art »öffentlicher Protein / Lipid-Nahverkehr«. Infolge der An zahl und Unterschiedlichkeit

der einzelnen Kompartimente muß der zelluläre Transport zudem über ein zielgenaues

Verpackungs- und Adressiersystem verfügen. Die AG Biochemie erforscht diese

Zusammenhänge mit mikroskopischen, gentechnischen, biophysikalischen und biochemischen

Verfahren. Weitere Arbeitsgebiete sind der Untersuchung der Mechanismen zur

Bereitstellung biologischer Energie und der Biochemie pathogener Parasiten gewidmet.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen pround

eukaryotischen Zellen liegt in der Kom -

par timentierung der letzteren. Durch diese

Arbeitsteilung und Spezialisierung wird eine

höhere Effektivität erreicht, allerdings um

den Preis der Aufrechterhaltung der dafür

notwendigen Strukturen durch eine aus ge -

feil te intrazelluläre Logistik. Die gene ti sche

Information liegt im Zellkern kodiert vor,

wohingegen die Biosynthesen am endoplasmatischen

Retikulum (ER) und im Cytosol ablaufen.

Folglich müssen Lipide und Pro teine

immer dann zu ihren Wirkorten transportiert

werden, wenn diese nicht am Syntheseort

liegen (Stichwort: »posttranslationales Protein-Targeting«).

[Abbildung 1] Bei Proteinen

ist der endgültige Bestimmungsort in Form

einer Signalsequenz oder eines Target-Motivs

in der Primärstruktur kodiert. Das Verfahren

ähnelt durchaus den aus dem täglichen

Leben bekannten Postleitzahlen. Transport-

wege verlaufen beispielsweise vom ER über

den Golgikomplex hin zur Plasmamembran

oder zu den Lysosomen, oft in beide Rich -

tun gen. Der Materialtransport zwischen den

zellulären Kompartimenten erfolgt in Form

kleiner Transportvesikel. Sowohl die Proteinals

auch die Lipidzusammensetzung der sub -

zellulären Kompartimente ist unterschiedlich.

Daher muss schon beim Entstehen der Vesikel,

dem Abknospen von der Donormembran,

auf ihre bestimmungsgemäße Zusammensetzung

geachtet werden, denn »Fehlsendungen«

können nicht ohne weiteres korrigiert

werden. Der mechanische Transport zum Ziel

erfolgt entweder passiv durch Diffusion oder

aktiv entlang der Komponenten des Cytoskeletts.

Am Ende ihrer Reise muss die Trans -

port vesikel zielsicher mit der Akzeptormembran

verschmelzen. Dabei wird dann die

Fracht übergeben. Darüber hinaus müssen

die einzelnen Transportprozesse neben der

Abbildung 1 faßt einige intrazelluläre

AP3-Pathway

Transportwege schematisch zusammen.

Der Golgi apparat dient der Modifizie -

Microautophagy rung fertig synthetisierter Polypeptidketten,

die aus dem endoplasmatischen

CPY-Pathway

Vacuole

Retikulum (nicht gezeigt) angeliefert

werden. »EE« (early = frühe Endosomen)

LE/MVB

und »LE« (late = späte Endosomen) bzw.

Golgi

Maturation

Macroautophagy »MVB« (multivesicular bodies = multivesikuläre

Körper) sind Transportvesikel-

EE

strukturen, die zwischen Golgi, Zell -

Endocytosis

mem bran und Vakuole / Lysosom hinund

herwandern. Durch die Endozytose

werden Stoffe aus der Zellumgebung

aufgenommen, bei der Makro- bzw. Mikroautophagie werden Zellkomponenten »recycelt«. Die Vakuole

einer Hefezelle entspricht den Lysosomen der Zellen höherer Eukaryonten. Vereinfacht gesagt ist die

Vakuole der Magen einer Hefezelle.


Neusynthese massenmäßig so ausgeglichen sein, dass

die beteiligten Organellen und die Zelle insgesamt

erhalten bleiben.

Beim Entstehen einer Transportvesikel sind die folgenden

Komponenten beteiligt: Die Frachtproteine, die

anhand einer Erkennungssequenz als versandbereit

gekennzeichnet sind, Hüllproteine, die das Abknospen

der Vesikel von der Donormembran bewerkstelligen, und

Adaptorproteine, die den korrekten Zusammenhalt

zwischen Fracht und Hülle vermitteln. In der Nähe des

Ziels werden die Transportvesikel zunächst durch spezielle

Proteine (tethering complexes) lose an die Ziel-

Rab-

GTPase

Budding Tethering

SNARE

disassembly

Wt Mutante

Rab-

GTPase

Tethers

SNAREs

Fusion

membran angebunden und dann durch andere Proteine

ein so enger Membrankontakt vermittelt, dass letzlich

eine Membranfusion stattfindet. Die einzelnen Prozesse

werden durch jeweils Organell-spezifische kleine GTPasen

orchestriert. [Abbildung 2]

Da sich die Zellen höherer Eukaryoten in vielerlei

Hinsicht nicht wesentlich von den erheblich einfacheren

und experimentell besser zugänglichen Zellen der Bäc -

kerhefe (Saccharomyces cerevisiae) unterscheiden, wird

ein Großteil der Experimente an Hefezellen durchgeführt.

[Abbildung 3]

Tethering

complex

cis-SNARE

complex

Abbildung 2 zeigt das Abknospen (budding)

von einer Donormembran bzw. das

Verschmelzen von Transportvesikeln mit

der Akzeptormembran. Dem Verschmelzen

(fusion) geht eine lockere Anbindungsphase

voraus (tethering). Diese Abläufe

erfordern die raum / zeitliche Koordination

durch mindestens die drei gezeigten

Proteine oder Proteinkomplexe

(Rab-GTPase, Tether, SNARE).

Abbildung 3 zeigt lichtmikroskopische Auf nahmen von Hefezellen

(oben) und das Ergebnis einer Elektrophorese (unten). Man kann die

Membranen bestimmter Zellkompartimente durch die selektive Einlagerung

von Farbstoffen anfärben (violette Ringe zeigen hier die Vakuolenmembran).

Außerdem können Proteine gentechnisch so verändert

werden, dass sie grün fluoreszieren. Es ist ersichtlich, dass in

der Mutante das grün fluoreszierende Protein nicht mehr in zytoplasmatischen

Punkten, sondern an der Vakuolenmembran auftaucht.

Mithin bewirkt die Mutation eine Änderung der Loka lisation des untersuchten

Proteins. Die »Fehl leitung« von Proteinen kann schwerwiegende

Konsequenzen für das Funktionieren der einzelnen Zelle

und darüber hinaus des gesamten Organismus nach sich ziehen. Insofern

hat die Grundlagenforschung ohne jeden Zweifel einen hohen

Stellenwert, selbst dann, wenn die Implikationen für unser tägliches

Leben nicht sofort ersichtlich sind.

In einer Elektrophorese wandern elektrisch geladene Teilchen in

einem Gel und unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes. Mit dieser

Technik kann die Anzahl und Größe der Proteine in einem Gemisch

bestimmt werden. Das in der Mitte der Abbildung gezeigte Protein

zeigt nur noch eine Bande, es ist rein. Das ist die Voraussetzung für

das Nachstellen zellulärer Abläufe in einem kontrollierten System,

dem ersten Schritt zum Verständnis dieser Abläufe.

Biochemie

9


Literaturauswahl

W. Junge, H. Lill & S. Engelbrecht;

ATP synthase: an electrochemical

transducer with rotatory mechanics;

Trends Biochem. Sci. 22, 420

- 423 (1997)

O. Pänke, K. Gumbiowski, W. Junge

& S. Engelbrecht; F-ATPase: specific

observation of the rotating c

subunit oligomer of EFoEF1; Febs

Lett. 472, 34 - 38 (2000)

W. Junge, H. Sielaff & S. Engelbrecht;

Torque generation and

elastic power transmission in the

rotary FoF1-ATPase; Nature 459,

364 - 370 (2009)

Kontakt

Apl. Prof.

Dr. Siegfried Engelbrecht-Vandré

Telefon: +49 (0)541 969 3424

E-Mail: engel@uos.de.

Internet: http://www.biologie.

uni-osnabrueck.de

10

Abbildung 1 Abbildung 2

Biochemie

AG Biochemie

Bioenergetik und Nanomechanik

Leben kann als Aufrechterhaltung eines geordneten Systems mittels Synthese, Informationsübertragung

und Transport angesehen werden. Alle drei Vorgänge verbrauchen Energie,

die in Pflanzen und einigen Bakterien durch die Photosynthese, in anderen Mikroorganismen

und Tieren durch die Oxidation von Bestandteilen der Nahrung gewonnen wird. Als

Energiewährung dient dabei das Molekül ATP, gleichermaßen in erdgeschichtlich sehr alten

Organismen oder »neueren« Entwicklungen wie Pflanzen, Tieren und dem Menschen. Ein

Erwachsener verbraucht und resynthetisiert pro Tag etwa das eigene Körpergewicht an ATP,

also bis zu 70 kg.

Wie kann ATP synthetisiert werden? Wenn der

»Zerfall« des ATP in ADP und Phosphat Ener gie

lie fert, dann muß die Syn the se aus ADP und

Phos phat E ner gie er for dern. Die Ka ta ly se der

ATP-Syn the se muß also an eine e ner gie lie fern -

de Re ak ti on ge kop pelt wer den. Die se Kopp lung

er folgt an ei ner Mem bran, die für die Re ak ti -

ons part ner u ndurch läs sig ist, we nig stens im

Zeit rah men der Syn the se re ak ti on. Für che mi -

sche Re ak ti o nen, die in zwei durch ei ne Mem -

bran von ein an der ge trenn ten Räu men ab lau -

fen, spielt ne ben der Gleich ge wichts ein stel -

lung, al so den Men gen, auch der Ort, an dem

sich die Re ak ti ons part ner be fin den, ei ne wich -

ti ge Rol le: Die Aus gleichs ten denz der räum li -

chen Kon zen tra ti ons-Un gleich ver tei lung stellt

näm lich eine nutz ba re E ner gie quel le dar.

Im Zu ge der Pho to syn the se in Pflan zen oder

der Nähr stoff-Ox i da ti on bei Tie ren wer den Pro -

to nen in ei nem Re ser voir an ge rei chert. Die re -

sul tie ren de »pro to nen mo to ri sche Kraft« treibt

dann ih rer seits die ATP-Syn the se re ak ti on an.

Die ATP-Syn tha se (Abb. 1) ist da her kein ge -

wöhn li ches En zym, das ei ne che mi sche Re ak -

ti on be schleu nigt. En zyme än dern nur das Tem -

po der Gleich ge wichts ein stel lung, nicht die

Gleich ge wichts la ge selbst. Die ATP-Syn tha se

be schleu nigt nicht nur die Syn the se-Re ak ti on,

son dern kop pelt die se au ßer dem an die pro to -

nen mo to ri sche Kraft als E ner gie quel le. Die se

Abbildung 3

Kopp lung er folgt über ei ne me cha ni sche Ro ta -

ti on (Abb. 2) in ner halb des ATP-Syn tha se- Mo -

le küls, die auf ver schie de ne Wei se und in sehr

un ter schied li chen Zeit do mä nen sicht bar ge -

macht wer den kann (Abb. 3).

Viel leicht nicht zu letzt in fol ge sei ner me -

cha ni schen Be an spru chung ist das ATP-Syn -

tha se-Mo le kül er staun lich ro bust ge gen ü ber

ei ne Rei he von Ein grif fen. In der Ar beits grup pe

wird die mo le ku la re Me cha nik der ATP-Syn the -

se mit bi o che mi schen, che mi schen, mo le ku lar -

bi o lo gi schen und bi o phy si ka li schen Me tho den

ver än dert und so un ter sucht.


Literaturauswahl

Lückmann, Katrin, Lagemann, Verena

& Menzel, Susanne (eingereicht).

Landscape Aesthetics – a

new Access to Environmental Education

in Botanical Gardens. Manuskript

im Review.

Menzel, Susanne (2010). Biologische

Ressourcen als Lebensgrundlage

für alle – Biodiversität als

Kontext des Globalen Lernens im

Biologieunterricht. Zeitschrift für

internationale Bildungsforschung

und Entwicklungspädagogik, 33(2),

10-15.

Menzel, Susanne & Bögeholz, Susanne

(2010). Values, Beliefs, and

Norms that Foster Chilean and

German Pupils’ Commitment to

Protect Biodiversity. International

Journal of Environmental and Science

Education, 5(1), 33-49.

Menzel, Susanne & Bögeholz, Susanne

(2009). The Loss of Biodiversity:

How do Students in Chile and

Germany perceive resource dilemmas

and what solutions do they

see? Research in Science Education,

39(4), 429-447.

Menzel, Susanne & Bögeholz, Susanne

(2008). Was fördert eine Bereitschaft

von Oberstufen schü -

ler(inne)n, die Biodiversität zu

schützen? Eine standardisierte Befragung

in Anlehnung an die

Value-Belief-Norm-Theorie. Umweltpsychologie,

12(2), 105-122.

12

Biologiedidaktik

AG Biologiedidaktik

Forschen über das Lernen und Lehren

Biologiedidaktische Forschung verfolgt das übergeordnete Ziel, schulische und außerschulische

Lernprozesse zu optimieren. Durch Forschungsergebnisse empirischer Studien (wie

z. B. Evaluationen und der Erforschung von Lernvoraussetzungen) können Bildungsangebote

optimiert werden. In der Abteilung Biologiedidaktik der Universität Osnabrück stehen dabei

inhaltlich Fragen der Nachhaltigen Entwicklung – und hier insbesondere dem Erhalt der

Biodiversität – im Vordergrund. Aktuell werden zum Thema fünf Fragestellungen bearbeitet.

Im Rahmen eines ersten Forschungsschwerpunkts

werden Lernvoraussetzungen zur Biodiversitätsbildung

bei chilenischen und deutschen

Schülerinnen und Schülern untersucht

(Susanne Menzel in Kooperation mit Susanne

Bögeholz, Universität

Göttingen). Der inter -

kulturelle Vergleich

zwischen Schülerinnen

und Schülern

eines Industrielands

und eines Biodiversitäts-Hotspots

soll da -

bei Aufschluss über

unterschiedliche Pers -

pektiven zum Biodiversitätsverlust

geben.

Ein zweites For -

schungs projekt (Florian

Fiebelkorn und

Susanne Menzel) weist

ebenfalls einen interkulturellen Focus auf. In

einer qualitativ-quantitativen Studie wird erforscht,

welche

Einflussfaktoren relevant sind für eine Bereitschaft,

den Verlust der Biodiversität im schulischen

Kontext zu thematisieren. Zielgruppe

sind künftige Lehrerinnen und Lehrer in

Deutschland und Costa Rica, einem Hotspot

der Biodiversität. Basierend auf mehreren

theoretischen Zugängen werden Einflussfaktoren

z. B. aus den Bereichen der Selbstwirksamkeitsüberzeugung,

einer grundsätzlichen

Werteorientierung und der wahrgenommenen

Verhaltenskontrolle angenommen. In einer

Interviewstudie wird zunächst erfasst, inwiefern

die theoretisch angenommenen Einflussfaktoren

relevant sind. Eine sich anschließende

Fragenbogenstudie verfolgt das Ziel, Einflussfaktoren

auf die Bereitschaft zur Vermittlung

des Themas im Unterricht quantitativ zu identifizieren.

Um dem Defizit der geringen Wahrnehmung

und Wertschätzung lokaler Biodiversität

bei deutschen Schülerinnen und Schülern zu

Abbildung 1 Modell zur Erklärung der Bereitschaft, biodiversitätsrelevante Themen im

künftigen Unterricht aufzugreifen (Fiebelkorn & Menzel, 2009).

begegnen, fokussiert ein dritter Forschungsschwerpunkt

auf die Wahrnehmung von lokalen

Landschaften durch junge Menschen in

Deutschland. Eignen sich eher naturnah gestaltete

Landschaften zur Thematisierung lokaler

biologischer Vielfalt oder eher klassische

Abbildung 2 Chilenische Schülerinnen und Schüler füllen ihren

Fragebogen aus (2006).


Gärten, in denen Pflanzenreichtum häufig auf

engem Raum dargestellt wird? Dieser Frage

gehen wir (Katrin Lückmann und Susanne

Menzel) in Kooperation mit dem Botanischen

Garten Osnabrück nach. Die Studie basiert u.a.

auf der Scenic Beauty Estimation (Daniel &

Boster, 1976). Am Beispiel von klassischen und

Tabelle 1 Regressionsanalytische Identifikation von relevanten Faktoren

für drei unterschiedliche Bereitschaften deutscher Schülerinnen

und Schüler, die Biodiversität zu schützen (N=217, Alter 15-17)

(Menzel & Bögeholz, 2008).

naturbelassenen Flächen Botanischer Gärten

wird in einer quantitativen Studie erhoben,

welche Potenziale die unterschiedlichen Flächen

jeweils besitzen, um das Erkennen sowie

die Wahrnehmung und Wertschätzung lokaler

Biodiversität bei jungen Menschen zu fördern.

Eine vierte Forschungsarbeit (Nadin Hermann

und Susanne Menzel) thematisiert den »Erhalt

der Biodiversität« unter zoologischer Perspektive.

In der Nationalen Strategie zur biologischen

Vielfalt (BMU, 2007) wird explizit die

Förderung von Wildtierbeständen gefordert. Im

Kontext der Wiedereinwanderung des Wolfs in

Sachsen und eines Auswilderungsprojekts

einer Wisentherde im Rothaargebirge zeigt

sich deutlich, dass der Erfolg derartiger Projekte

entscheidend von der Akzeptanz der lokalen

Bevölkerung abhängt. Das Ziel des Forschungsprojekts

ist es, zu erfassen, ob bei

jungen Menschen Schutzbereitschaften vor-

nehmlich in Bezug auf eigene Interessen oder

vornehmlich am Artenschutz orientiert sind.

Dazu wurden auf Basis der Protection-Motivation

Theory (Rogers & Prentice-Dunn, 1997)

zwei Erklärungsmodelle erstellt. Befragt werden

Jugendliche in den Modellregionen und in

Regionen, die nicht von Wildtierprojekten betroffen

sind.

In einem fünften Projekt »Globales Lernen

an lokalen Lernorten« (Moritz Busse und

Susanne Menzel) steht die Frage im Vordergrund,

welches Potenzial Botanische Gärten

für global orientierte Bildungsarbeit haben. Es

wird in formativen Evaluationsprozessen

untersucht, welche Wirkungen Bildungsan -

gebote auf Schülerinnen und Schüler der

Sekundarstufe I haben. Flankierend wird ein

Kompetenzmodell entwickelt, das unter anderem

näher definiert, über welche Fähigkeiten

und Fertigkeiten Lernende in Bezug auf

Globales Lernen verfügen müssen. Als Kontext

für Globales Lernen in Botanischen Gärten

dienen Fragestellungen rund um die biologische

Vielfalt.

Eine ausführliche Literaturliste sowie eine

Liste der in der Darstellung zitierten Quellen

kann bei S. Menzel angefordert werden.

Kontakt

Sekretariat: Nathalie Crombée

Telefon: +49 (0)541 969 2259

Beate Stumpe (TA)

Telefon: +49 (0)541 969 2259

Internet: http://www.biologie.uniosnabrueck.de

J.-Prof. Dr. Susanne Menzel

Telefon: +49 (0)541 969 3351

E-Mail:

susanne.menzel@biologie.uniosnabrueck.de

Katrin Lückmann

Telefon: +49 (0)541 969 3449

E-Mail:

katrin.lueckmann@biologie.uniosnabrueck.de

Dipl.-Biol. Florian Fiebelkorn

Telefon: +49 (0)541 969 3449

E-Mail:

florian.fiebelkorn@biologie.uniosnabrueck.de

Dipl.-Biol. Nadin Hermann

Telefon: +49 (0)541 969 3448

E-Mail:

nadin.hermann@biologie.uniosnabrueck.de

Dipl.-Biol. Moritz Busse

Telefon: +49 (0)541 969 3448

E-Mail:

moritz.busse@biologie.uniosnabrueck.de

Abbildung 3 Modell zur Erklärung der Bereitschaft, Biodiversität zu schützen (Menzel &

Bögeholz, 2008).

Biologiedidaktik

13


Literaturauswahl

You, C., Wilmes, S., Beutel, O.,

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Kontakt

Prof. Dr. Jacob Piehler

Telefon: +49 (0)541 969 2801

(Sekretariat Frau Elisabeth Olaru)

E-Mail: piehler@uos.de

Internet: http://www.biologie.uniosnabrueck.de

14

Biophysik

AG Biophysik

Zur Abwehr von Pathogenen besitzt der menschliche Körper ein Repertoire von verschiedenen

Zelltypen, die in den verschiedenen Organen des Immunsystems zu ihrer vollen Funktion

heranreifen. Um den Einsatz gegen eindringende Viren oder Bakterien zu koordinieren,

müssen diese Zellen miteinander kommunizieren. Dazu verwenden sie Botenstoffe – die

Zytokine – welche über spezifische Rezeptoren auf der Zelloberfläche erkannt werden. Die

AG Piehler erforscht, wie durch die Wechselwirkung zwischen Zytokinen und ihren Rezeptoren

unterschiedliche Signalwege und zelluläre Antworten moduliert werden können. Um

diese Prozesse isoliert und im Kontext der Zelle quantitativ zu charakterisieren werden verschiedene

spektroskopische und mikroskopische Methoden eingesetzt.

Typ I Interferone sind Zytokine, die als unmittelbare

Antwort auf einen Angriff durch Viren

oder Bakterien ausgeschüttet werden, um einerseits

Zellen direkt zu alarmieren und um andererseits

Zellen des adaptiven Immunsystems

zu aktivieren. Interferone sind kleine Proteine,

A

IFNAR2

IFN

Jak1

Tyk2

IFNAR1

Transkription

Zellkern

welche an bestimmte Rezeptoren an der Zell -

oberfläche binden (Abbildung 1a,b). Durch

gleichzeitige Wechselwirkung von Interferonen

mit den beiden Untereinheiten des Rezeptors

(IFNAR1 und IFNAR2) werden verschiedene Signalwege

in der Zelle aktiviert, die zur Expression

von Genen für die Abwehr von Pathogenen führen.

Viele nicht-kovalente Wechselwirkungen

zwischen den Aminosäuren der Interferone mit

JAK1

Tyk2

PI3K

p48 STAT1

STAT2

STAT1

STAT3

STAT1

Akt/PKB

STAT5

NFκB

STAT1

STAT5

STAT3

Crkl

Abbildung 1 Signalaktivierung über den Typ I Interferonrezeptor.

A: Durch gleichzeitige Wechselwirkung von

Interferonen mit den zwei Untereinheiten IFNAR1 und

IFNAR2 werden über assozierte Tyrosinkinase verschiedene

Signalwege aktiviert, die zur Transkription eines

breiten Spektrums von Genen führen. B: Die spezifische

Erkennung von Interferonen durch den Rezeptor beruht

STAT2

STAT1

Plasmamembran

Zytoplasma

denen von IFNAR1 und IFNAR2 führen zur einer

spezifischen, definierten Erkennung dieser Botenstoffe

(Abbildung 1b). Während die Raumstruktur

der Komplexe von verschiedenen Interferonen

mit IFNAR1 und IFNAR2 nur geringe

Unterschiede zeigen, ist die Dynamik der Wech-

Vav

Rac1

p38

C

B

relatives Signal [ ]

1.2

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

IFNω

IFNα1

IFNAR2

IFNα2

IFNAR1

IFNβ

IFNω

0 40 80 120 160 200

Zeit [s]

auf einer Vielzahl gleichzeitiger nicht-kovalenter Wechselwirkungen,

für die Aminosäurereste an der Oberfläche

der Proteine verantwortlich sind. C: Verschiedene Interferone

unterscheiden sich vor allem in der Stabilität der

Komplexe mit IFNAR1 und IFNAR2. Hier wurde die Dissoziation

von verschiedenen Interferonen von der Rezeptoreinheit

IFNAR2 spektroskopisch in Echtzeit verfolgt.

selwirkung stark unterschiedlich (Abbildung 1c).

Über Proteinmutagenese und Proteindesign

konnte gezeigt werden, dass die Dynamik der

Interferon-Rezeptor-Wechselwirkung die Akzentuierung

verschiedener zellulären Antworten

reguliert. Dies auf molekularer und zellulärer

Ebene zu verstehen ist die zentrale Fragestellung

in der Arbeitsgruppe. Um diese Prozesse in

lebenden Zellen zu untersuchen werden hoch-


A

Zytoskelett

1 µm

?

Abbildung 3 Spatiotemporale Dynamik des Interferon-Rezeptor-Komplexes

in der Plasmamembran. A: Mögliche Wechselwirkungen der

verschiedenen Komponenten des Signalkomplexes mit Gerüstproteinen

im Kontext des Zytoskeletts. B: Fluoreszenzmikroskopische Lokalisation

und Verfolgung einzelner Rezeptormoleküle in der Plasmamembran.

In blau sind die Trajektorien einzelner Rezeptoren gezeigt.

sensitive fluoreszenzmikroskopische Verfahren verwendet,

mit denen einzelne Rezeptoren auf der Plasmamembran der

Zelle detektiert und über die Zeit verfolgt werden können

A

B

STAT2

p48

10 µm

JAK1

tyk2

?

STAT2

p48

Adapterproteine

Abbildung 3 Quantitative Untersuchung von Protein-Protein-

Wechselwirkungen in Mikrostrukturen auf Einzelmolekülniveau. A:

Schematische Darstellung der Immobilisierung eines Rezeptorproteins

auf einem mikrostrukturiert funktionalisierten Substrate und

anschließende Wechselwirkung mit einem Bindungspartner. B: Die

kumulative laterale Verteilung von Bindungsereignissen über 1000

Einzelbilder zeigt selektive Bindung in funktionalisierte Areale (markiert

durch das gepunktete Quadrat). C: Aus einer Häufigkeitsanalyse

der Dauer von einzelnen Bindungsereignissen kann eine mittlere

Stabilität der Wechselwirkung bestimmt werden.

Anzahl der Bindungsereignisse

140

120

100

80

60

40

20

0

C

1 2 3 4 5

Aufenthaltsdauer [s]

C

B

500 nm

C: Trajektorien einzelner IFNAR2-Moleküle im Kontext des Membran-

Skeletts, welches mittels Höchstauflösungs-Mikroskopie abgebildet

wurde. D: Kolokalisation der transienten Bindung des Effektorproteins

STAT2 (grün) mit dem Membranskelett (rot). Durch Einzelmoleküllokalisierung

konnten Strukturen deutlich unterhalb der Beugungsbegrenzung

aufgelöst werden.

(Abbildung 2). Diese Empfindlichkeit wird benötigt, da die

Rezeptorproteine nur in wenigen Hundert Kopien pro Zelle

vorliegen. Zudem kann mit dieser Methode die Heterogenität

der Bewegung und der Verteilung der Rezeptorproteine

mit einer Ortsauflösung von wenigen Nanometern detektiert

werden. Dafür wurden Methoden etabliert, um geeignete

Fluoreszenzsonden selektiv an Zielproteine anzuheften.

Mit diesem Ansatz soll die spatiotemporale Dynamik

der Assemblierung der Rezeptoren und der Signalweiterleitung

in der Zelle aufgeklärt werden, um diese mit der Dynamik

der Interferon-Rezeptor-Wechselwirkung zu korrelieren.

Zudem werden einzelne Komponenten des Signalkomplexes

isoliert in artifiziellen Membranen rekonstituiert,

um Wechselwirkungen und Konformationsänderungen

unter kontrollierten Bedingungen zu charakterisieren. Dafür

werden in der Arbeitsgruppe Oberflächenarchitekturen entwickelt,

mit denen Proteine auf Substraten immobilisiert

und Membranproteine in Membranen inkorporiert werden

können, ohne dabei ihre funktionelle Integrität zu beeinträchtigen.

Durch Mikrostrukturierung dieser Oberflächenarchitekturen

können Interaktionen und Bewegungen lokal

begrenzt werden (Abbildung 3). So können spektroskopische

und mikroskopische Untersuchungen von Wechselwirkungen

und Konformationsänderungen an einzelnen Molekülen

durchgeführt werden.

D

Biophysik

15


Literaturauswahl

Murmu, J., Bush, M., DeLong, C., Li,

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Kontakt

Prof. Dr. Sabine Zachgo

Telefon: +49 (0)541 969 2860

(Sekretariat Frau Schmieding)

E-Mail: zachgo@biologie.uniosnabrueck.de

Internet: http://www.biologie.uniosnabrueck.de

16

Entwicklungsbiologie

AG Botanik – Entwicklungsbiologie

Entwicklungsgenetik der Pflanzen

Mit über 250.000 verschiedenen Arten stellen die Blütenpflanzen die am stärksten diversifizierte

und somit erfolgreichste Pflanzengruppe auf der Erde dar. Warum ist diese Gruppe

so außerordentlich erfolgreich? Welche Gene sind daran beteiligt?

Entscheidenden Einfluss auf diesen Erfolg hatte die Evolution einer Blüte bei den Angiospermen,

den Blütenpflanzen. Diese komplexe Struktur ist aus verschiedenen Organen mit

spezialisierten Schutz-, Schau- und reproduktiven Funktionen aufgebaut, die so nur bei

den Angiospermen existieren. Unser Ziel ist es, die entwicklungsgenetischen Prozesse zu

untersuchen, die die Ausbildung der Blütenorgane regulieren und die molekularen Mechanismen

zu entschlüsseln, die zur Ausbildung der großen Diversität dieser Pflanzengruppe

führten.

Regulation der Blütenentwicklung

Aufschluss über die genetische Kontrolle der

Blütenentwicklung erhält man, indem Pflanzen

untersucht werden in denen Genfunktionen,

die diese Blütenentwicklung regulieren, defekt

sind. Bei solchen Mutanten treten durch den

Ausfall der Genfunktion und somit dem Verlust

der Ausbildung eines funktionalen Proteins

häufig morphologische und/oder biochemische

Veränderungen auf.

Abb. 1 zeigt einen Vergleich

von Antirrhinum

majus Wildtyp- und

einer plena Mutantenblüte.

Deutlich wird,

dass im Inneren der

plena Blüte die Entwicklung

von reproduktiven

Organen, den

Staubblättern und

Fruchtblättern, unterbleibt.

Stattdessen ent-

steht eine gefüllte

Blüte, die zusätzliche

Blütenblätter im Zentrum

entwickelt. Bei

der plena Mutante ist

ein Gen defekt, dass für

einen MADS-Box Transkriptionsfaktor kodiert,

der die Bildung der reproduktiven Organe reguliert.

MADS-Box Proteine binden an die DNA

von Zielgenen und beeinflussen dadurch deren

Expression. Dadurch steuern sie die Aktivität

von zahlreichen nachgeschalteten Proteinen,

die die Blütenorganbildung realisieren.

Molekulare Analyse der Ausbildung von Blütensymmetrie

Eine besondere morphologische Neuheit in der

Blütenpflanzenevolution ist die Ausbildung von

bilateral symmetrischen Blüten, welche sich

wahrscheinlich durch Ko-Evolution mit Insekten

entwickelten. Ursprüngliche Blütenpflanzen

besitzen radiär-symmetrische Blüten und

erlauben dadurch den Bestäubern den Zugang

zur Blüte von allen Seiten wodurch häufig eine

Vielzahl von unterschiedlichen Insekten angelockt

wird. Bei den weiter abgeleiteten, höher

entwickelten Angiospermen treten bilateral

Abbildung 1 Antirrhinum majus (Löwenmäulchen) Wildtypblüten bilden innerhalb der roten, attraktiven

Blütenblätter die reproduktiven Organe, Staubblätter und Fruchtblätter. Die rechte Blüte

zeigt die homöotische plena Blütenmutante, welche statt reproduktiver Organe weitere Blütenblätter

im Zentrum ausbildet.

symmetrische, sogenannte zygomorphe Blüten

auf. Sie besitzen eine Symmetrieachse, welche

die Blüte in zwei spiegelbildliche, identische

Hälften unterteilt, wie dies bei der Löwenmäulchenblüte

in Abb.1 gezeigt ist. Bedingt durch

die zygomorphe Symmetrie der Blütenblätter

kann Antirrhinum nur von einem Insekt, der

Hummel, bestäubt werden.

Die Ausbildung der Blütensymmetrie wird

durch Schlüsselregulatorgene, die TCP Transkriptionsfaktoren,

gesteuert. Uns interessiert,

welche molekularen Mechanismen die TCP


Aktivität beeinflussen und somit steuern, ob radiäre oder

zygomorphe Blüten gebildet werden. Dafür untersuchen wir

die Familie der Brassicaceae, in der fast alle der über 350

Gattungen radiäre Blüten bilden. Eine große Ausnahme bildet

die Gattung Iberis: Dort wird ein kleines und ein sehr

großes Blütenblattpaar gebildet, wodurch die Blüte nicht

mehr, wie bei Arabidopsis radiär symmetrisch, sondern zygomorph

ist (Abb. 2). Unsere Untersuchungen zeigen, dass

Unterschiede in der TCP-Genregulation ausschlaggebend

sind, diese morphologische Neuheit herbeizuführen. Während

in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana TCP1 in der

Blütenentwicklung nur sehr früh und vorübergehend aktiv

ist, wird das TCP1 Gen in Iberis amara im kleineren, oberen

Blütenblattpaar sehr stark und sehr lange ausgeprägt. Dies

bewirkt, dass dort die Zellteilungsprozesse unterdrückt werden

und die oberen Blütenblätter kleiner bleiben. Bei der

Entstehung der Blütensymmetrie in den Brassicaceen kam

es daher wahrscheinlich in der Gattung Iberis zu einer Veränderung

der TCP-Genschalter, welche steuern, wann die

TCP1 Aktivität ›an‹- oder ›aus‹-geschaltet ist. Das Auftreten

einer veränderten TCP1 Genexpression in verschiedenen

Spezies trug durch die daraus resultierende unterschiedliche

Steuerung von Zellteilungsaktivitäten dann wahrscheinlich

zur Entwicklung von symmetrischen Blüten bei.

ROXYs: eine neue Funktion von Glutaredoxinen in der

Blütenentwicklung

Arabidopsis roxy1 Mutanten bilden statt vier nur zwei Blütenblätter

aus. ROXY1 kodiert für ein Glutaredoxin (GRX),

p35S::YFP-ROXY1 p35S::YFP-ROXY1 p35S::3x-YFPs-ROXY1

complementation of roxy1

YES YES NO

Abbildung 3 ROXY1-Proteine wurden gentechnisch so

verändert, dass sie gelb fluoreszieren (YFP, yellow fluorescent

protein) und dadurch ihre intrazelluläre Lokalisation

bestimmt werden kann. Fluoreszierende

ROXY1-Proteine wurden in Tabakexpressionsassays im

Zellkern (Stern) und im Zytoplasma (Pfeil) nachgewiesen

(Bild links). Eine ausschließliche nukleäre oder cytoplasmatische

(rechts) ROXY1-Lokalisierung wurde

erreicht, indem die Proteine mit weiteren Sequenzen

modifiziert wurden, die entweder einen Transport in

den Zellkern mittels eines NLS (nuclear localisation sig-

Abbildung 2 Vergleich der Blüten von Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand,

oben links) und Iberis amara (Schleifenblume, oben rechts).

In situ mRNA Expressionsuntersuchungen von Iberis TCP1 (unten links)

zeigen, dass TCP1 in den oberen Blütenblättern (dicker Pfeil) stärker ausgeprägt

ist, als in den unteren (dünner Pfeil). Untersuchungen mit dem

Zellteilungsmarkergen Histon H4 belegen, dass dessen Aktivität komplementär

ausgeprägt ist. Im Vergleich zu den oberen (dicker Pfeil) ist

H4 in den unteren Blütenblättern (dünner Pfeil) stärker exprimiert. Dies

bedeutet, dass dort eine verstärkte Zellteilungsaktivität stattfindet, die

zur Bildung von größeren Blütenblättern führt.

nal, Mitte) oder eine cytoplasmatische Ausprägung des

Fusionsproteins (3xYPFs-ROXY1, rechts) bewirken. Die

Funktionsanalyse dieser Proteine erfolgte mittels Komplementationsstudien,

bei der die modifizierten

ROXY1-Proteine in der roxy1 Mutante ausgeprägt

wurden. Eine nukleäre Aktivität von ROXY1 ist unabkömmlich,

um die normalen vier Blütenblätter auszuprägen

(›yes‹). Bei einer Ausprägung im Cytoplasma

kann das ROXY1 Protein die roxy1 Mutante nicht komplementieren,

es bleibt bei der Bildung einer reduzierten

Blütenblattanzahl (›no‹).

eine Oxidoreduktase, welche eine Rolle im Redoxhaushalt

der Zelle spielen. GRX modifizieren andere Proteine und beeinflussen

damit deren Aktivität. Intrazelluläre Lokalisationsstudien

in Kombination mit genetischen Studien (Abb 3.)

zeigen, dass ROXY1 Proteine im

Zellkern ausgeprägt sein müssen.

Im Zellkern interagieren sie mit

TGA Transkriptionsfaktoren und

modifizieren diese wahrscheinlich,

welches eine wichtige Voraussetzung

für eine normale Blütenblattbildung

darstellt. Verglei-

che verschiedener Pflanzengenome

ergaben, dass GRX vom

ROXY-Typ nur in Landpflanzen

vorkommen. Besonders Angiospermen

weisen eine stark erhöhte

Anzahl dieser ROXY-Gene

auf, was ihre Bedeutung bei der

Entwicklung und Regulation der

komplexen Blütenbildung unterstreicht.

Weitere vergleichende

molekulare Untersuchungen zwischen

Arabidopsis und basalen

Landpflanzen, den Moosen, sollen

dazu beitragen, die ancestrale, ursprüngliche

Funktion dieser Oxidoreduktasen

und ihre biochemischen

Funktionen bei Landpflanzen

zu entschlüsseln.

17

Entwicklungsbiologie


Literaturauswahl

K. Mummenhoff, A. Polster, A.

Mühlhausen & G. Theißen; Lepidium

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in Brassicaceae. J. Exper.

Bot. 60, 1503 - 1513 (2009)

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Kontakt

Sekretariat: Lucille Schmieding

Telefon: +49 (0)541 969 2860,

Fax: -2845

Apl. Prof.

Dr. Klaus Mummenhoff

Telefon: +49 (0)541 969 2856

E-Mail: Mummenhoff@bio -

logie.uni-osnabrueck.de

Internet:

http://www.biologie.uniosnabrueck.de

18

Botanik

AG Botanik

Systematik und Merkmalsevolution in Brassicaceen

Die Familie der Kreuzblütler (Brassicaceae) ist eine der größten Pflanzenfamilien der Nordhemisphäre

und Vertreter dieser Familie sind in allen Biotopen verbreitet und geradezu

charakteristisch für Extremstandorte: vom Meeresstrand bis in die Hochgebirge, untergetaucht

im Wasser lebend bis in die trockensten Wüsten vorkommend. Zu den Kreuzblütlern

gehören zudem zahlreiche Kulturpflanzen wie Raps, Kohl und Salatkresse, aber auch

»Unkräuter« von hohem invasiven Potential. Wie kommt es zur Differenzierung einer derartigen

Vielfalt? Warum sind einige Arten weltweit verbreitet, andere dagegen engräumig

begrenzt?

Abbildung 1 Stammbaum der Brassicaceen (ca.

3700 Arten) auf der Basis der DNA-Sequenz von

acht Genen. I-III bezeichnen Hauptevolutionslinien.

Wichtige Modellorganismen der modernen Pflanzenwissenschaften

enthaltende Gruppen sind hervorgehoben.

Die Systematik hat verschiedene

Ziele und Aufgaben: Die

Formenvielfalt zu dokumentieren,

ein Ordnungsprinzip als Informationsspeicher

zu schaffen

und die biologische Vielfalt zu

erklären. Die moderne Systematik

ist eine synthetische

Wissenschaft, die geographische,

ökologische, morphologische,

zytologische und molekulare

Evidenzen integriert, um

Biodiversitätsmuster, deren Ursachen

und Genese zu verste-

hen. Die Erforschung von Evolutionsprozessen,

der Phylogenie und der Besiedlungsgeschichte

(Biogeographie) der Brassicaceen stehen hier im

Mittelpunkt. Ein besonderer Schwerpunkt liegt

auf modernen molekularbiologischen Techniken,

wie DNA-Sequenzierungen, welche die

Stammesgeschichte widerspiegeln (Abb. 1).

Untersucht werden Evolutionsprozesse auf

der Ebene von Individuen, Populationen, Arten

und höheren systematischen Kategorien. Das

Forschungsspektrum umfasst zwischenartliche

Hybridisierung, biogeographische Fragen, wie

der Einfluss der Eiszeiten auf die Florengeschichte

Eurasiens und die historische Biogeographie

der Brassicaceen auf der Südhalbkugel

[Abb. 2 (links)].

Jüngste Forschungsaktivitäten sind an der

Nahtstelle zwischen Phylogenetik, Evolutionsbiologie,

Entwicklungsgenetik und Ökologie angesiedelt

und sollen grundlegende Einsichten in

die Evolution von adaptiven Merkmalen ermöglichen,

wie z.B. die genetische Basis und Regu -

lation von morphologischen Unterschieden im

Fruchtbau und der Frucht- und Samenausbreitung

[Öffnungsfrüchte versus Schließfrüchte;

Abb. 2 (rechts)].

Abbildung 2 (links) Polyploide australische Lepidium Arten haben ein hybridogenes,

bikontinentales Genom: 16 Chromosomen (rot) stammen aus Afrika; 56 Chromosomen

(grün) sind kalifornischen Ursprungs; Samentransport durch Vögel.

Abbildung 2 (rechts) Schematischer Fruchtquerschnitt: Regulation der Fruchtöffnung

durch Entwicklungskontrollgene, die durch eine exakte Ausbildung funktionaler

Gewebe und Zellen (ÖZ: Öffnungszone) zur Ablösung der Fruchtklappen vom Replum

und so zur Fruchtöffnung führen.


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16:65-87.

Kontakt

Prof. Dr. Jürgen Heinisch

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(Sekretariat Frau Schmieding)

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20

Genetik

AG Genetik

Genetik pro- und eukaryotischer Modellorganismen

Die Ge ne tik be fasst sich mit den Grund la gen der Ver er bung von Ei gen schaf ten, wie etwa

die der mensch li chen Blut grup pen oder auch von Erb krank hei ten. Die mo der ne Mo le ku -

lar ge ne tik um fasst da rü ber hi naus Be rei che wie die Klo nie rung ein zel ner Ge ne, die etwa

für die bio tech no lo gi sche Her stel lung wich ti ger Pro te i ne wie In su lin, In ter fe ron oder

Wachs tums hor mo nen in Bak te ri en und Pil zen ver wen det wer den kön nen. Als »klas si sche«

Pro duk ti ons stät ten die nen da bei meist ent we der das Darm bak te ri um E. coli oder die Wein-,

Bier- und Bä cker he fe Saccharomyces cerevisiae. Zur Vi ta min ge win nung wird auch der Fa -

den pilz Ashbya gossypii ein ge setzt. Die AG Ge ne tik ver wen det al le drei Mo dell or ga nis men,

um ei ner seits zu er for schen, wie sich Zel len tei len und da bei ihre Erb in for ma ti on feh ler -

frei wei ter ge ben. An de rer seits un ter su chen wir, wie Zel len ihre Um ge bung wahr neh men

und ihren Stoff wech sel den An for de run gen an pas sen. Da bei ste hen so ge nann te Sig nal -

ket ten im Mit tel punkt, die z. B. in He fe zel len ganz ähn lich ab lau fen wie beim Men schen.

Feh ler (durch Mu ta ti o nen) in ei nem sol chen In for ma ti ons fluss füh ren da bei häu fig zur

Krebs ent ste hung. Durch ein ge nau es Ver ständ nis der zu grun de lie gen den Me cha nis men

kom men wir der Ent wick lung von wir kungs vol len Me di ka men ten ei nen Schritt nä her. Da -

rü ber hinaus un ter su chen wir den Auf bau der Zell wand von He fen als mög li chen An griffs -

punkt zur Be kämp fung von Pilz krank hei ten, wie z.B. Candida-In fek ti o nen. Schließ lich er -

ge ben sich aus un se ren Ar bei ten mit den ver schie den sten He fe ar ten auch di rek te An wen -

dun gen für die Ver wen dung als Nah rungs- und Fut ter mit tel, so wie den Ein satz in der Weinbe

rei tung und der Bio e tha nol pro duk ti on.

So wie sich die klas si sche Ver er bungs leh re auf

die von Gre gor Men del an Erb sen er forsch te

Wei ter ga be von Ge nen auf die Nach kom men

grün det, fußt die mo de rne Ge ne tik auf der Klo -

nie rung (Iso lie rung) sol cher Ge ne auf klei nen

DNA-Frag men ten. Dies ge lang zu erst mit Hil fe

klei ner, ring för mi ger DNA-Mo le kü le, den Plas -

mi den, so wie den zu ge hö ri gen Werk zeu gen,

den Re strik ti ons en zy men und DNA-Li ga sen, im

Darm bak te ri um Esche ri chia coli. Bak te ri en zel -

len (Pro ka ry on ten) sind deut lich ein fa cher or -

ga ni siert als etwa un se re mensch li chen Zel len,

wo fast das ge sam te Erb ma te ri al in Form von

Chro mo so men in ei nem Zell kern ein ge schlos -

sen ist (Eu ka ry on ten).

Wie bei den Bak te ri en han delt es sich auch

bei der He fe Saccha ro my ces ce re vi si ae um ei -

nen ein zel li gen Or ga nis mus. Al ler dings ver -

mehrt er sich nicht durch Zwei tei lung, son dern

durch Knos pung und ge hört zu den Eu ka ry on -

ten, mit im Zell kern ein ge schlos se nen Chro mo -

so men. Ei ne wei te re Ähn lich keit zwi schen He -

fe und Mensch ist die Fä hig keit zur se xu el len

Ver meh rung. La bor stäm me von S. ce re vi si ae

ha ben Zel len mit zwei Paa rungs ty pen (»Mann«

und »Frau«). Die se kann man kreu zen, wo raus

je vier ha plo i de Nach kom men her vor ge hen. Ei -

ne so ge nann te Te tra den a na ly se zeigt die Ver -

er bung von Ei gen schaf ten nach den Men -

del'schen Re geln, wie sie auch von der Erb se

bis zum Men schen gel ten.

In den letz ten zwei Jahr zehn ten hat sich die

He fe S. ce re vi si ae zu ei nem zwei ten Stand bein

der Mo le ku lar ge ne tik (ne ben E. coli) ent wi ckelt:

Abbildung 1 Der Lebenszyklus der Wein-, Bier- und Bäckerhefe S. cerevisiae mit den verschiedenen Knospungsstadien

(links), sowie das Ergebnis einer Tetradenanalyse (rechts).


Die Ge nom se quenz der 16 Chro mo so men wur de be reits

1996 voll stän dig ent schlüs selt und heu te lie gen uns He -

fe stäm me vor, in de nen je des ein zel ne der über 5000 Ge -

ne aus ge schal tet (»de le tiert«) wur de. Wir ver wen den sol -

che und an de re Mu tan ten für die Auf klä rung ei ner Sig nal -

ket te (»Cell Wall In te gri ty Path way«), die es der He fe zel le

er mög licht, auf äu ße re Stress-Si tu a ti o nen zu re a gie ren, in -

dem sie ih re Zell wand ver stärkt. Oh ne ei ne in tak te Zell -

Abbildung 2 Eine komplexe Signalkette ermöglicht der Hefe den Aufbau

neuer Zellwand zur Anpassung an Stressbedingungen. Signale an der

Zelloberfläche werden wahrgenommen und in ein Programm zur Transkription

von Zielgenen im Zellkern umgesetzt.

wand plat zen die He fe zel len und ster ben. Au ßer dem un -

ter su chen wir de tail liert die Pro te i ne, die für die Tren nung

der Knos pe von der Mut ter zel le (Zy to ki ne se) wich tig sind.

Dies ge schieht in ei nem eng um schlos se nen Raum (Mi kro -

kom par ti ment) zwi schen den bei den Zel len, der als Knos -

pen hals (engl.: »bud neck«) be zeich net wird.

S. ce re vi si ae wird welt weit zur Al ko hol pro duk ti on, von

Spi ri tu o sen bis zur Bio e tha nol her stel lung, ver wen det.

Da bei wer den Zu cker durch den Stoff wech sel weg der Gly -

ko ly se in E tha nol um ge setzt. Auch die da für ko die ren den

Ge ne und die zu grun de lie gen den Re gu la ti ons me cha nis -

men wer den von uns in ten siv un ter sucht.

Ne ben S. ce re vi si ae gibt es noch vie le an de re He fe ar ten

mit teil wei se gro ßer in dus tri el ler Be deu tung. Die oben be -

Abbildung 3A Nach weis bestimmter Proteine bei der Vermehrung von

Hefezellen am Knospenhals durch Fluoreszenz-Mikroskopie. Hefen vermehren

sich durch Knospung und schnüren dabei die Tocherzelle ab. Bestimmte

an diesem Vorgang beteiligte Proteine werden mit einer roten

Fluoreszenzmarkierung (Myo1) nachgewiesen. Ein Sensor des Zellintegritätsweges

(Wsc1, oben) bzw. ein die Zellteilung steuerndes Protein (Hof1,

unten) sind durch die grüne Färbung zu erkennen. Das obere Bild zeigt

Zeitraffer-Aufnahmen im 5-Minuten-Abstand.

schrie be nen Un ter su chun gen

füh ren wir ähn lich auch an der

Lak to se-ver wer ten den Milch he -

fe Kluy ve ro my ces lac tis durch

(mit Be zug zur mensch li chen

Lak to se-In to le ranz), so wie an Abbildung 4: Pilzhyphe von Ashbya gossypii.

Links Hellfeld, rechts Zellkerne und Zy-

der He fe Klo e cke ra a pi cu lata

toskelettelemente.

(»A pi cu la tus-He fen« in der

Wein be rei tung), für die wir erst -

mals ei ne mo le ku la re Ge ne tik auf bau en konn ten.

Ein die sen He fen na he ver wand ter, fi la men tö ser Pilz, ist

Ash by a gos sy pi i, der in der Grup pe von Dr. Hans-Peter

Schmitz un ter sucht wird. A. gos sy pi i ist ein op por tu nis tisch

pa tho ge ner Pilz, der Baum woll- und Zi trus pflan zen be fällt,

hier zu je doch auf die In jek ti on durch an die sen Pflan zen

sau gen de In sek ten an ge wie sen ist. Ne ben der Ei gen schaft

der Über pro duk ti on von Ri bo fla vin (Vi ta min B2), die auch

in dus tri ell ge nutzt wird, be sitzt er ei ni ge Cha rak te ris ti ka

wie das Wachs tum in lang ge streck ten Fi la men ten und das

gleich zei ti ge Vor han den sein von meh re ren Zell ker nen in

ei nem Zell kom par ti ment, die ihn be son ders für Stu di en der

Re gu la ti on des Zy toske letts in ter es sant ma chen.

Ob wohl E. coli tra di ti o nell seit Jahr zehn ten mo le ku lar -

ge ne tisch in ten siv un ter sucht wird, las sen sich an die -

sem Mo dell sys tem im mer neu e in ter es san te bio lo gi -

sche Zu sam men hän ge auf klä ren. Die Grup pe um PD

Dr. Knut Jahreis un ter sucht ins be son de re die Me -

cha nis men der Koh len hy drat auf nah me und die zu -

ge hö ri gen Stoff wech sel we ge. Ei ne wich tige Klas se

von Koh len hy drat trans port sys te men be steht

aus ei ner Viel zahl von Ein zel kom po nen ten,

die ne ben ih rer Funk ti on bei der Zu cker -

auf nah me noch wich ti ge Auf ga ben bei

der Re gu la ti on des Koh len hy drat stoff -

Abbildung 5: McConkey-Indi-

wech sels und der Che mo ta xis, d.h. der kator-Agarplatten helfen bei

ge ziel ten Be we gung der Bak te ri en in der Analyse von Escherichia

Rich tung ei nes Lock stoffs, er fül len. Da coli-Mutanten.

die se Sys te me ge ne tisch sehr leicht zu gäng -

lich sind, wer den die se Mo del le auch für sys -

tem bi o lo gi sche Un ter su chun gen zur Si mu la ti on der Stoff -

wech sel vor gän ge in ei nem le ben den Or ga nis mus ver wen -

det. Die hie raus ge won ne nen Er kennt nis se hel fen bei der

Op ti mie rung von in dus tri ell ge nutz ten Pro duk ti ons stäm -

men, bei spiels wei se bei der Her stel lung von A mi no säu ren.

Abbildung 3B zeigt Zeitraffer-Aufnahmen im 5-Minuten-Abstand.

Genetik

21


Literaturauswahl

Chakravortty, D., Rohde, M., Jager,

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Husseiny, M.I., Wartha, F., and

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Rajashekar, R., Liebl, D., Seitz, A.,

and Hensel, M. (2008). Dynamic

remodeling of the endosomal

system during formation of Salmonella-induced

filaments by intracellular

Salmonella enterica.

Traffic 9, 2100-2116.

Kontakt

Abt. Mikrobiologie, Sekretariat

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22

Mikrobiologie

AG Mikrobiologie

Zelluläre und Molekulare Mikrobiologie

Die Abteilung Mikrobiologie untersucht molekulare Funktionen bakterieller Zellen. Dabei

interessieren uns Fragestellungen der Pathogenität von Bakterien wie auch grundlegende

Zellfunktionen wie der Aufbau komplexer molekularer Maschinen.

Höhere Organismen wie der Mensch sind im ständigen Kontakt mit Mikroorganismen

und viele Bereiche des Körpers sind mit Mikroorganismen besiedelt. Während diese Koexistenz

in der Regel unbemerkt abläuft, können einige Mikroorganismen Krankheiten hervorrufen.

Am Modellorganismus Salmonella enterica, einem darmpathogenen Bakterium,

untersucht die Arbeitsgruppe die zellulären und molekularen Mechanismen der Krankheitsentstehung.

Die genaue Kenntnis bakterieller Virulenzfaktoren kann die zukünftige

Entwicklung neuer Ansätze zur Prävention, Diagnose und Therapie von Infektionserkrankungen

ermöglichen. Mit Blick auf die zunehmende Resistenz von Bakterien gegen Antibiotika

ist besonders die Entwicklung neuer Therapieansätze wichtig.

Salmonellen können durch gentechnische

Verfahren so verändert werden,

dass sie als Träger für Impfstoffe genutzt

werden können. Unsere Arbeitsgruppe

arbeitet an der Erzeugung von

rekombinanten Lebendimpfstoffen zum

Schutz gegen Infektionen, wie auch zur Therapie

von Tumoren (siehe Husseiny et al.,

2007).

Die Virulenzleistungen pathogener Bakterien

werden häufig von Genen in Pathogenitätsinseln

kodiert, die im Fall von Salmonellen

als ›Salmonella Pathogenicity Island‹

oder SPI bezeichnet werden. Als darmpathogene

Erreger, treten Salmonellen über diverse

Adhäsionsfaktoren in engen Kontakt

mit Wirtszellen und sind in der Lage, nichtphagozytische

Zellen des Wirtsorganismus

zu invadieren, z.B. Epithelzellen des Darms

(siehe Gerlach et al., 2008). Zudem sind Salmonellen

fakultativ intrazelluläre Bakterien,

die in einem besonderen Membrankompartiment

überleben und replizieren können.

Abbildung 1 Interaktion von Salmonellen mit Epithelzellen.

Die elektronenmikroskopischen Aufnahmen

zeigen die Adhäsion an die Zelloberfläche und

die Invasion durch Salmonellen (rot pseudo-koloriert)

Unter den zahlreichen SPI sind SPI1 und SPI4

von besonderer Bedeutung für die Fähigkeit

von extrazellulären Bakterien zur Adhäsion

an polarisierte Epithelzellen und deren Invasion,

während SPI2 und SPI3 für intrazelluläre

Funktionen von entscheidender Bedeutung

sind. Wir untersuchen die molekularen

Mechanismen der Manipulation von Vorgängen

in Wirtszellen durch bakterielle Virulenzproteine.

Pathogene Bakterien benutzen diverse

Systeme zur Sekretion von Proteinen. Mittels

der komplex aufgebauten Typ-III-Sekretionssyteme

(T3SS) können Bakterien Virulenzproteine

direkt in Zellen des Wirts zu injizieren.

Dabei benutzen Salmonellen T3SS zur


Abbildung 2: Intrazelluläre Virulenzleistungen

von Salmonellen. Epithelzellen

wurden mit Salmonellen (grün) infiziert

und die Bakterien liegen nach Invasion

intrazellulär vor. Ein spät-endosomales

Protein der Wirtszelle (LAMP-

1) wurde rot markiert. Virulente Salmonellen

(links), nicht aber ein attenuierter

Mutanten-Stamm (rechts) induzieren

schlauchartige Veränderungen der

endosomalen Membranen der Wirtszelle.

Wildtyp

Umsteuerung von normalen Zellfunktionen der Wirtszelle,

was zur Invasion von Zellen führt. Zudem benut-

frühe

Endosomen

späte

Endosomen

Lysosomen

EEA-1

Igp

CatD

ROI

RNI

TfR

V-ATPase

M6PR

pH 4-5

SIF

SCV

Mutante

Abbildung 3: Zellbiologie intrazellulärer Salmonellen (grüne Symbole). Die

Schritte der Reifung der Erreger-haltigen Vakuole sind dargestellt.

?

Mikrotubuli

zen die intrazellulären Erreger ein

weiteres T3SS, um den Vesikeltransport

der Wirtszelle zu verändern und

eine intrazelluläre Vermehrung zu ermöglichen

(siehe Rajashekar et al.,

2008). Die Arbeitsgruppe untersucht

zudem den Aufbau von T3SS (siehe

Chakravortty et al., 2005).

Die Synthese bzw. Hydrolyse von

ATP, der Energiewährung aller Zellen,

erfolgt durch die ATP-Synthase (FOF1),

einer rotatorischen Maschine mit

zwei Motoren, die elektrochemische

Energie über mechanische Prozesse

in chemische Energie wandelt. Ausgehend vom detaillierten

Kenntnisstand der Nanostruktur und des Katalyse-Mechanismus

von FOF1 untersuchen wir die Assemblierung

des Enzymkomplexes in Escherichia coli, der 22

lösliche und membranintegrale Untereinheiten miteinander

kombiniert. Dabei gilt es zu klären, ob die Untereinheiten

sequentiell eingebaut werden oder ob einzelne

Subkomplexe vorgeformt und dann zu einem Gesamtkomplex

zusammen gefügt werden. Parallel dazu

untersuchen wir mit fluoreszenzmikroskopischen Techniken

die Verteilung und Dynamik der ATP Synthase in

der cytoplasmatischen Membran und suchen nach

möglichen Interaktionspartnern.

Membran

Zielzelle

bakterielle

Zellhülle

Effektorproteine

Abbildung 4: Modell (links) und Ultrastruktur (rechts) eines Typ-III-Sekretionssystems.

Diese Systeme weisen einen Nadel-förmigen Aufbau auf und können Proteine aus

dem Zytoplasma der Bakterienzellen in das Zytoplasma der Wirtszelle translozieren.

Die so injizierten Effektorproteine können diverse Funktionen eukaryontischer Zellen

manipulieren.

45 nm

˜

30 nm

8 nm

16 nm

27 nm

Mikrobiologie

23

13


Literaturauswahl

Appelhans T, Beutel O, Richter C,

Hess S, Piehler J, Busch KB (in

prep), Trapped in cristae: tracking

and precise localization of single

respiratory complexes in the inner

mitochondrial membrane in living

cells.

Muster B, Kohl W, Wittig I, Strecker

V, Joos F, Haase W, Bereiter-

Hahn J, Busch K, Respiratory

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in life cells. PLoS One 5:

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Strecker V, Wittig I, Bereiter-Hahn

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of living cells. Biochim Biophys

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Busch KB, Bereiter-Hahn J, Wittig

I, Schagger H, Jendrach M (2006),

Mitochondrial dynamics generate

equal distribution but patchwork

localization of respiratory Complex

I. Mol Membr Biol 23: 509-

520

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Junior-Prof. Dr. Karin Busch

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24

Mitochondriale Dynamik

AG Mitochondriale Dynamik

Raum/zeitliches Verhalten von Atmungskomplexen

Mitochondrien sind Zellorganellen, die gemeinhin als Kraftwerke der Zelle bekannt sind, da

ihre Hauptaufgabe die ATP Synthese, also die Bereitstellung der zelleigenen Energie-Währung,

ist. Sie kommen in jeder eukaryontischen Zelle vor und spielen im normalen Zell-Leben

eine entscheidende Rolle. Nun sind Mitochondrien nicht statische, singuläre Entitäten, sondern

bilden eine dynamische und interaktive Population, die im ständigen Austausch steht

und dadurch flexibel auf unterschiedliche Energieansprüche der Zelle reagieren kann. Zudem

ist die Dynamik Teil einer Qualitätskontrolle. Die AG Mitochondriale Dynamik untersucht die

direkten Auswirkungen dieser Dynamik auf die Verteilung und Funktionalität von Atmungskettenkomplexen,

die für die ATP Synthese wichtig sind. Dabei bedienen wir uns vor allem

hochauflösender Mikroskopie-Methoden, um die raum/zeitliche Dynamik von Mitochondrienproteinen

in der lebenden Zelle zu verfolgen.

Mitochondrien haben – neben der ATP-Synthese

– andere wichtige metabolische Funktionen

wie die Oxidation von Substraten im

Zitratsäure-Zyklus, die β-Oxidation von Fettsäuren

oder die Synthese von katalytischen

Fe-S -Zentren. Sie sind Ca2+-Speicher und

damit a Ca2+-vermittelten Signaltransduktionswegen

direkt beteiligt, sind die Hauptpro-

Durchmischung in %

A

B

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Stress

10µm 10µm

Abbildung 1 zeigt wie mitochondriale Dynamik zur

Formveränderung einerseits und zur Durchmischung

von Neuverteilung von Proteinen andererseits führen

kann.

A) Normalerweise liegen Mitochondrien als tubuläres

Netzwerk in der Zelle vor. Einzelne kleine und runde

Mitochondrien sind selten. Bei Stress reagieren Mitochondrien

empfindlich und zerfallen häufig in kleinere

Fragmente. Diese sind noch funktional, durch ihre

kleine Form mobiler und können nach Wegfall des

Dynamik von Mitochondrien

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Zeit (min)

duzenten reaktiver Sauerstoffspezies (ROS)

und spielen bei bestimmten Formen des Zelltodes

(Apoptose) eine zentrale Rolle. Eine

Schädigung hat schwerwiegende Konsequenzen,

die im schlimmstenfalls zum Zelltod und

auf organismischer Ebene zum Verlust von

Geweben führen kann. Besonders drastisch

äußert sich dies bei neurodegenerativen

Stressfaktors oder durch Adaption durch erhöhte Fusion

wieder ein Netzwerk bilden.

B) Unter normalen Umständen dauert die vollständige

Durchmischung von Atmungs-Komplexen zwischen

allen Mitochondrien der Zelle ungefähr 2-3 Stunden.

Um dies zu messen, wird ein Teil der Mitochondrien

durch Fotokonvertierung fluoreszenter Proteine anders

eingefärbt (rot) und die Zeit bis zur Komplettdurch -

mischung mit der Population der anderen Farbe (grün)

durch Aufnahme einer Zeitserie bestimmt.


A

B

C

D

H +

H +

Abbildung 2 zeigt fusionierte Mitochondrien mit teilweiser Mischung von Atmungs-Komplexen.

A) Fusionierte Mitochondrien zeigen eine Art Streifenmuster der Atmungs-Komplex-Verteilung.

B) Komplexe der mitochondrialen Atmungskette.

C) Antikörperfärbung von Atmungskomplexen in fusionierten Mitochondrien in

Elektronen-Mikroskopie-Schnitten.

D) Lokalisation und Mobilität von Komplex II in Mitochondrien.

e +

O 2

H 2O

ADP

H

cyt. c

+ H +

H +

ATP

MATRIX

IMS

2 µm

Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson, wo der

Dysfunktion von Mitochondrien eine zentrale Bedeutung

beizumessen ist.

Seit wenigen Jahren ist bekannt, dass Mitochondrien

dynamisch sind, sich durch die Zelle bewegen,

aufeinander treffen, fusionieren und sich

wieder teilen. Das Verhältnis von Fusion und Teilung

bestimmt ihre Form: Erhöhte Fusion führt zu

langen tubulären mitochondrialen Netzwerken

während ein Anstieg der Teilungsrate, z. B. bei

Stress, kurze, fragmentierte Mitochondrien hervorbringt

(Abb. 1A). Normalerweise besteht ein dynamisches

Gleichgewicht zwischen tubulären und

punktartigen Formen. Diese Dynamik erlaubt nun

auf verschiedenen Ebenen eine erhöhte Flexibilität:

Zum einen ist der Transport von kurzen Mitochondrien

über zelluläre Autobahnen, die Mikrotubuli,

an Stellen hohen Energieverbrauchs möglich,

zum anderen spielt die Dynamik bei der Qualitätskontrolle

eine entscheidende Rolle. Durch die

intramitochondriale ROS-Produktion werden Mitochondrien

selbst geschädigt. Die Fusion (und

Teilung) der Mitochondrien mildert nun die Anhäufung

von Schäden ab, indem sie einen Austausch

von Komponenten ermöglicht (Abb. 1B). Zu

stark geschädigte Mitochondrien können nicht

mehr fusionieren und werden nach Verschmelzen

mit Lysosomen abgebaut und recycled. Im Alter

und bei verschiedenen Krankheiten sind die Dynamik

der Mitochondrien und damit der Austausch

reduziert. Dies führt zu einer Überhandnahme dysfunktionaler

Mitochondrien. Damit ist die Energieversorgung

der Zelle nicht mehr gewährleistet und

das Signal für den intrinsischen Weg der Apoptose

– des Zelltodes – ist in Gang gesetzt.

Wir versuchen in der AG Mitochondriale Dynamik

die direkten Auswirkungen der Fusions- und

Teilungsaktivität von Mitochondrien auf die Neu-

Verteilung von Proteinen nachzuvollziehen. Dabei

interessiert uns vor allem die exakte räumliche

Anordnung von Komplexen der Atmungskette in

Mikrokompartimenten der Mitochondrien sowie

ihre Mobilität in Membranen (Abb. 2) um den Zusammenhang

von mitochondrialer Heterogenität,

Funktion und Dynamik besser zu verstehen.

25

Mitochondriale Dynamik


Literaturauswahl

Hunke, S., Keller, R., Müller, V. S.

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Microbiol Lett. 326, 12 - 22

Zhou, X., Keller, R., Volkmer, R.,

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Müller, V. S., Jungblut, P. R., Meyer,

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An improved method

to identify protein-protein

interaction partners of membrane

proteins in vivo. Proteomics 11,

2124 - 2128

Fleischer, R., Heermann, R., Jung,

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reconstitution, and characterization

of the CpxRAP envelope

stress system of Escherichia coli.

J. Biol. Chem. 282, 8583 - 8593

Kontakt

Junior-Prof. Dr. Sabine Hunke

Universität Osnabrück

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26

Molekulare Mikrobiologie

AG Molekulare Mikrobiologie

Stressantwort bei Enterobakterien

Bakterien sind permanenten Veränderungen ihrer Umgebung ausgesetzt. So müssen sich pathogene

Darmbakterien (Enterobakterien) im menschlichen Körper orientieren können, um

einerseits das generelle Überleben zu sichern und andererseits die verschiedenen Schritte

einer Infektion zu koordinieren. Dazu bedarf es hoch spezifischer Signalsysteme, die das für

die Veränderung charakteristische Signal erkennen, die Information in das Innere der Zelle

leiten und dort in eine Antwort umsetzen. Bei Bakterien dominieren hierzu Zweikomponentensysteme.

Interessanterweise sind Zweikomponentensysteme bisher nicht bei höheren Eukaryonten

identifiziert worden und werden daher als mögliches Angriffsziel für neue Antibiotika

angesehen. Im Zuge dessen nimmt die Suche nach Wirkstoffen gegen sie heute eine

zentrale Rolle ein.

Wir untersuchen mit dem Cpx-Stresssystem

ein für die Virulenz von Darmbakterien

wichtiges Zweikomponentensystem. Es besitzt

neben der membranständigen Sensorkinase

CpxA und dem Antwortregulator CpxR

zusätzlich das periplasmatische Protein CpxP

(Abb. 1) (siehe Hunke et al., 2011). Die Reiz-

Abbildung 1 Das Cpx-Stress-Signalsystem: Das Cpx-

System gehört zu den Zweikomponentensystemen und

besteht aus der Sensorkinase CpxA und dem Antwortregulator

CpxR. Verschiedene Stresssignale führen zur

Phosphorylierung von CpxA, das den Phosphatrest auf

leitung erfolgt dabei über eine Phosphorylierungskaskade.

Im Zuge eines positiven Reizes

phosphoryliert CpxA zunächst sich selbst und

überträgt dann den Phosphatrest auf CpxR.

Das dadurch aktivierte Protein kann so in der

Funktion eines Transkriptionsfaktors die Expression

von Zielgenen modulieren. Zu diesen

CpxR überträgt. Das so aktivierte CpxR kann nun

unterschiedliche Zellfunktionen regulieren. Das zusätzliche

Protein CpxP hemmt CpxA und dient als Sensor

für einige fehlgefaltete Proteine.


Abbildung 2 Membrane-SPINE: Für viele biologische Prozesse sind

Membranproteine essentiell. Membranproteine arbeiten vor allem in

Komplexen. Um das Zusammenspiel in solchen Komplexen besser verstehen

zu können, benötigt man Methoden, um die direkte Interaktion

zwischen Membranproteinen nachzuweisen. Für diese Anwendung

haben wir die Methode »Membrane- Strep-tagged protein interaction

experiment« (Membrane-SPINE) entwickelt (siehe Müller et al., 2011).

Membrane-SPINE nutzt die Fähigkeiten des Proteinvernetzers (crosslinkers)

Formaldehyd, Membranen zu penetrieren und alle Proteine

Zielgenen zählen neben Faltungshelfern (Chaperonen)

und Proteasen vor allem Oberflächenstrukturen, die für

die Anheftung an und die Invasion in Wirtszellen, aber

auch beim Kampf gegen das Immunsystem essentiell

sind. Hierzu zählen z. B. beide Typ 3 Sekretionssysteme

von Salmonella enterica serovar Typhimurium.

Außerdem kann CpxA phosphoryliertes CpxR ebenfalls

dephosphorylieren und so die Antwort der Bakterien auf

ein Signal besser ausbalancieren. Zu den Signalen, die das

Cpx-System erkennt, gehören neben pH-Stress, Salz-

Stress, Schwermetallen, der Lipidzusammensetzung der

inneren Membran und verschiedenen aggregierte Proteinen,

auch die Anheftung an Oberflächen und menschliche

Hormone (Adrenalin). Darüber hinaus wird das Sys-

miteinander zu verknüpfen, die sich in physikalischer Nähe zueinander

befinden (a). Diese Verknüpfung bleibt auch während der Reinigung

des mit einem Strep-tag versehenen Membranproteins stabil (b). Die

Verknüpfung zwischen dem Membranprotein (bait) und co-gereinigten

Proteinen (prey) wird durch einfaches Kochen wieder gelöst. Mit Hilfe

einer SDS-PAGE werden die Proteine voneinander getrennt (c) und vermutete

Interaktionspartner können durch Immunoblotting nachgewiesen

(d) bzw. unbekannte Interaktionspartner durch massenspektroskopische

Analysen identifiziert werden (e).

tem negativ durch das lösliche CpxP Protein moduliert

(siehe Fleischer et al., 2007), welches als zusätzlicher

Sensor für einige Signale fungiert (Abb. 1) (siehe Zhou et

al., 2011).

In vergleichenden Studien, untersuchen wir mittels

molekularbiologischer, biochemischer (Abb. 2) und biophysikalischer

Methoden sowohl die Strukturen und Mechanismen

zur Signalerkennung und Signalleitung als

auch die Funktion für die Virulenz des Cpx-Zweikomponentensystems

aus den Modellorganismen Escherichia

coli und Salmonella enterica.

27

Molekulare Mikrobiologie


Literaturauswahl

Gauthier-Kemper, A., Weissmann,

C., Golovyashkina, N., Sebö-Lemke,

Z., Drewes, G., Gerke, V., Heinisch,

J.J., and Brandt, R. (2011) The frontotemporal

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Bakota, L., and Brandt, R. (2009)

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Tackenberg, C., and Brandt, R.

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Weissmann, C., Reyher, H.J., Gauthier,

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protein M in human neurons

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(ALS). J. Biol. Chem.

280:31648-31658.

28

Neurobiologie

AG Neurobiologie

Molekulare Mechanismen der Alzheimerschen Erkrankung

Bei der Alzheimerschen Erkrankung kommt es zu immensen Gedächtnisstörungen, wodurch

vor allem das Langzeitgedächtnis beeinträchtigt wird. Erkrankte können sich zum Beispiel

nicht mehr erinnern, wo sie wohnen, oder sie erkennen ihre Angehörigen nicht mehr. Die

Ursache liegt in einer Störung der Kommunikation zwischen den Nervenzellen, an den sogenannten

Synapsen. Im Verlauf der Alzheimererkrankung kommt es dann zu einem massiven

Absterben von Nervenzellen, die anfänglichen Gedächtnisstörungen entwickeln sich

hin zu einem vollständigen Gedächtnisverlust. Die Krankheit, an der allein in Deutschland

mehr als eine Million Menschen leiden, ist bisher nicht ursächlich behandelbar.

Ein großer Teil der Arbeitsgruppe konzentriert

sich darauf, die molekularen und zellulären

Vorgänge besser zu verstehen, die dem Krankheitsverlauf

zugrunde liegen. Eine wesentliche

Rolle spielt dabei ein Protein des neuronalen

Zellskeletts, das Tau Protein. Tau, das normalerweise

im axonalen Kompartiment einer Nervenzelle

angereichert ist, verteilt sich im

Krankheitsverlauf um und bildet Aggregate –

die sogenannten Alzheimerfibrillen – im Zellkörper

und in den Dendriten der Neurone.

Nach dem aktuellen Stand der Forschung führen

diese Veränderungen dazu, dass die Nervenzellen

absterben. In Kooperation mit der

Arbeitsgruppe von Dr. Gloria Lee (Harvard Medical

School, Boston, USA) konnte in der Arbeitsgruppe

gezeigt werden, dass das Tau Protein

eine Rolle als Verbindungsglied zwischen

dem neuronalen Zellskelett und der Zellmembran

spielt. Veränderungen von Tau, wie sie typisch

für die Alzheimersche Krankheit sind,

führen dazu, dass Tau diese Funktion nicht

mehr wahrnehmen kann. Dies trägt vermutlich

zu einer Umverteilung von Tau und zu einer

Desta bilisierung der

betroffenen Nervenzelle

bei. Zudem

konnte in der Arbeitsgruppe

ge zeigt werden,

dass Veränderungen,

bei der krank -

heits ty pi sche Modifikationen

von Tau Protein

simuliert werden,

toxisch auf die Nervenzellen wirken und einen

programmierten Zelltod auslösen.

Um die molekularen Wechselwirkungen bei

der Entwicklung der Krankheit aufzuklären,

wurden diese Erkenntnisse genutzt und verschiedene

Zellkulturmodelle entwickelt, die

wesentliche Aspekte der Krankheit abbilden

und »live« eine Beobachtung der Krankheitsentwicklung

mittels moderner bildgebender

Verfahren ermöglichen. Dabei sind wir in der

Lage, Veränderungen auf der Ebene synaptischer

Kontakte zwischen einzelnen Nervenzellen

sichtbar zu machen. In interdisziplinärer

Zusammenarbeit haben hier auch Wissenschaftler

aus der Physik, der Genetik und der

Mathematik beigetragen. Diese Modelle bieten

die Grundlage dafür, Möglichkeiten zu testen,

die pathologischen Vorgänge zu verhindern

oder zumindest zeitlich zu verzögern. Es besteht

die Hoffnung, dass dies für die Entwicklung

therapeutischer Strategien zur Behandlung

der Alzheimerschen Erkrankung von

Bedeutung sein wird.

Abbildung 1 Nervenleuchten im Gehirn (links). Mit einem speziellen Verfahren wurden einzelne

Nervenzellen in einem Hirnschnitt zum Fluoreszieren gebracht. Dies ermöglicht eine »live« Beobachtung

der Nervenzellen unter dem Mikroskop zur Untersuchung degenerativer Veränderungen.

Nervenzellen in einem authentischen nervösen Umfeld (rechts). Die experimentelle Anordnung

erlaubt es, die Schaltung von Nervenzellen sichtbar zu machen.


Das Zellskelett bei der Entwicklung und beim Altern von Nervenzellen

Nervenzellen sind auf Informationsübertragung über große Distanzen spezialisiert und

haben zu diesem Zweck eine einzigartige zelluläre und molekulare Architektur ausgebildet.

Dies erfordert ausgefeilte Mechanismen, wie die Nervenzellen ihre Zielstrukturen finden.

Gleichzeitig macht es Nervenzellen aber auch anfällig für molekulare Veränderungen, wie

sie beim Altern auftreten.

Nervenzellen sind auf Informationsübertragung

über große Distanzen spezialisiert

und haben zu diesem

Zweck eine einzigartige

zelluläre und molekulare

Architektur

ausgebildet. Dies

erfordert ausgefeilteMec

h a n i s m e n ,

wie die Ner -

venzellen ihre

Zielstrukturen

finden. Gleichzeitig

macht es

Nervenzellen aber

auch anfällig für molekulare

Veränderungen, wie

sie beim Altern auftreten.

Die Abteilung untersucht die Rolle des neuronalen

Zellskeletts als der hauptsächlichen

intrazellulären Determinanten der Morphologie

von Nervenzellen. Dazu wurde eine Reihe

von neuen monoklonalen Antikörpern entwickelt,

die als molekulare Werkzeuge eingesetzt

werden können, um einzelne Strukturen des

Zellskeletts zu detektieren und Veränderungen

bei der Entwicklung und beim Altern festzustellen.

Einer der Antikörper, der mittlerweile

von der Arbeitsgruppe an ein Unternehmen

auslizensiert wurde, erkennt zum Beispiel ein

Protein mit dem Namen Gravin, das bei der

Autoimmunkrankheit Myasthenia gravis und

möglicherweise auch beim Ausbilden von Zellverzweigungen

beteiligt ist. Ein weiterer Antikörper

erkennt eine spezielle Modifikation

eines Neurofilamentproteins. Diese Modifikation,

die sogenannte O-Glykosylierung, ist bei

Krankheiten wie der amyotrophen Lateralsklerose

(ALS) reduziert. In Zusammenarbeit mit

der Arbeitsgruppe von Dr. Cheng-Xin Gong

(New York State Institute for Basic Research

in Developmental Disabilities, Staten Island,

USA), konnte gezeigt werden,

dass diese Modifikation auch

bei der Alzheimerschen Erkrankung

und vermutlich

auch bei normalen Alterungsvorgängen

fehlreguliert ist.

In einer Kooperation

mit dem Institut

für Chemie (Osna-

Abbildung 2 Nervenzelle mit »Alz -

heimerfibrillen« (dunkle Strukturen) im

Gehirn eines Alzheimer-Patienten im fortgeschrittenen

Stadium der Krankheit. Nach

dem aktuellen Stand der Forschung führen die

Fibrillen zum Absterben der Nervenzellen und zum fortschreitenden

Gedächtnisverlust.

brück) werden diese Antikörper als Werkzeug

verwendet, um neue biologisch aktive Moleküle

zu identifizieren, die die Entwicklung von

Nervenzellen fördern. Die Hoffnung ist, dass

solche Moleküle bei stammzelltherapeutischen

Ansätzen zur Therapie von Alterskrankheiten

von Nutzen sein werden.

Abbildung 3 Eine einzelne menschliche

Nervenzelle (rot) auf einem Teppich

von Gliazellen. Mit Hilfe neuer

Antikörper können die Entwicklung

und Alterung von Nervenzellen sichtbar

gemacht werden.

Kontakt

Prof. Dr. Roland Brandt

Neurobiologie der

Universität Osnabrück

Barbarastrasse 11

49076 Osnabrück

Telefon: +49 (0)541 969 2338

Fax: +49 (0)541 969 2354

E-Mail: brandt@biologie.uniosnabrueck.de

Internet: http://www.biologie.uniosnabrueck.de

Wissenschaftliches Personal:

Prof. Dr. Roland Brandt,

Apl. Prof. Dr. Gunnar Jeserich,

Dr. Lidia Bakota,

Anne Gauthier-Kemper,

Nataliya Golovyashkina,

Katrin Klempahn,

Katharina Moschner,

Dennis Prieß, Karolin Selle,

Fred Suendermann

Nicht-wissenschaftliches

Personal:

Dr. Wilfried Hamann, Henning

Borgstädde, Bettina Flenker,

Angelika Hilderink

Neurobiologie

29


Literaturauswahl

Exeler, N., Kratochwil, A. & Hochkirch,

A. (2010) Does recent habitat

fragmentation affect the population

genetics of a heathland

specialist, Andrena fuscipes (Hymenoptera:

Andrenidae)? Conservation

Genetics 11,1679–1687

Exeler, N., Kratochwil, A. & Hochkirch,

A. (2009) Restoration of riverine

inland sand dunes: Implications

for the conservation of

wild bees (Apoidea). Journal of

Applied Ecology 46,1097-1105

Exeler, N., Kratochwil, A. & Hochkirch,

A. (2008) Strong genetic exchange

among populations of a

specialist bee, Andrena vaga (Hymenoptera:

Andrenidae). Conservation

Genetics 9, 1233-1241

Kratochwil, A., Beil, M. & Schwabe,

A. (2009 ) Complex structure of

pollinator-plant interaction-webs:

random, nested, with gradients or

modules? Apidologie 40, 634-650

Kratochwil, A., Stroh, M., Dittrich,

S. & Remy, D. (2009) Binnendünen-Restitution

im Auengebiet

der Hase (Niedersachsen), eine Bilanz

nach 7 Jahren. BfN-Schriftenreihe

Naturschutz und Biologische

Vielfalt 73, 93-107

Kontakt

Prof. Dr. Anselm Kratochwil

Dr. Dominique Remy

Dr. Nina Exeler

Telefon: +49 (0)541 969 2836

(Sekretariat Birte Pahlmann)

E-Mail: kratochwil@biologie.uniosnabrueck.de

E-Mail: remy@biologie.uniosnabrueck.de

E-Mail: exeler@biologie.uniosnabrueck.de

E-Mail: pahlmann@biologie.uniosnabrueck.de

Internet: http://www.biologie.uniosnabrueck.de

30

Ökologie

AG Ökologie

Die Ökologie beschäftigt sich mit den Beziehungen von Organismen untereinander und

mit ihrer Umwelt. Zwischen den verschiedenen Umweltfaktoren und den Organismen-

Populationen bestehen in Ökosystemen vielfältige und komplexe Beziehungsgefüge. In der

AG Ökologie konzentrieren wir uns auf die Erforschung von Vernetzungsstrukturen innerhalb

von Biozönosen. Als Modellobjekt dienen Wildbienen, die als besonders artenreiche

Tiergruppe eng an ein spezifisches Nahrungspflanzen-Spektrum gebunden sind. Neben

Blütenpflanzen-Wildbienen-Netzwerken untersuchen wir auch Ausbreitungsphänomene

ausgewählter Wildbienenarten in Zusammenhang mit populationsgenetischen Aspekten.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt im Bereich der Renaturierungsökologie. Hierbei

geht es im Speziellen um die Wiederherstellung von ehemals weit verbreiteten, jedoch

heute stark gefährdeten Auenlandschaften mit Flutrasen-Binnendünen-Vegetationskomplexen,

die eine hohe biologische Diversität aufweisen. Es werden wissenschaftliche Grundlagen

erarbeitet, die es ermöglichen, in einst intensiv landwirtschaftlich genutzten Gebieten

Lebensgemeinschaften nach der Fauna-Flora-Habitat-Richtlinie der Europäischen Union

wieder zu etablieren.

Blütenpflanzen-Wildbienen-Netzwerke

Geschachtelte Netzwerke zwischen Pflanzenund

Wildbienenarten garantieren das Überleben

seltener und spezialisierter Arten. Nach

der Nested-Subset-Hypothese nutzen seltene

und spezialisierte Blütenbesucher weit verbreitete

und auf einen großen Blütenbesucherkreis

eingerichtete Pflanzenarten. Das

Gleiche gilt für seltene und spezialisierte

Pflanzenarten. Zahlreiche Untersuchungen

zeigen, dass eine solche Schachtelung

schwer nachweisbar ist. Hingegen konnte

gezeigt werden, dass in vielen Fällen Blütenpflanzen-Wildbienen-Netzwerkemodularisiert

sind (Abbildung 1). Hierbei spielen

einzelne dominante Pflanzenarten, die die

Haupt-Blütentypen repräsentieren, eine

entscheidende Rolle. Real vorkommende

Netzwerke haben einen hohen Grad an

Komplexität. Durch eine Modularisierung

wird das Aussterben lokal seltener Bienenarten

minimiert.

Ausbreitungsbiologische Prozesse bei

Wildbienen

Die Zerstörung und Fragmentierung natürlicher

Lebensräume gefährdet die Existenz

lokaler Populationen und macht diese anfälliger

für negative Umwelteinflüsse. Neuund

Wiederbesiedlungsprozesse sind somit

essenziell wichtig. Ausbreitungsprozesse

und Besiedlungsmechanismen werden am

Beispiel der Sandbiene Andrena vaga (Ab-

bildung 2a, 2b) modellhaft untersucht und

populationsgenetische Phänomene analysiert,

die mit Kolonisationsprozessen bei unterschiedlichen

Entfernungsdistanzen auftreten

(Abbildung 2b).

Abbildung 1 Modularisiertes Blütenpflanzen-Wildbienen-Netzwerk mit

den dominaten Blütenpflanzen- und Wildbienenarten, die die Netzwerkstruktur

und die einzelnen Module bestimmen. Die Verbindungslinien

innerhalb der Module und zwischen Modulen charakterisieren die Wechselbeziehungen

zwischen den einzelnen Blütenpflanzen- und Wildbienenarten.


Abbildung 2a Die Sandbiene Andrena vaga sammelt bevorzugt an Weiden

(Salix). Sie ist eine im Boden nistende Pionierart mit einem Verbreitungsschwerpunkt

in Auen landschaften.

Des Weiteren prüfen wir Faktoren, die die genetische Diversität

von Populationen steuern und beeinflussen. Über

Experimente wird getestet, wie sich z.B. die Nistweise,

Partnerfindung und Nahrungsspezialisierung auf die genetische

Variabilität innerhalb von Populationen auswirken.

Renaturierung von Sandökosystemen im Emsland

Ziel unserer Untersuchungen ist die Erarbeitung wissenschaftlicher

Grundlagen für eine erfolgreiche Wiederherstellung

großflächiger dynamischer Binnendünen-Flutmulden-Vegetationskomplexe

in einer Flussaue im Emsland

unter extensiver Nutzung. Diese Flächen waren zwi-

Abbildung 2b Veränderungen der genetischen Unterschiede zwischen Populationen der Sandbiene

Andrena vaga entlang eines Entfernungsgradienten von etwa 350 Kilometern (Meppen/Emsland bis

Darmstadt).

schenzeitlich eingedeicht und im Zuge intensiver agrarischer

Nutzung intensiv gedüngt worden. Die flussnahen

Deiche wurden vor ca. 10 Jahren entfernt, zurückverlegt

und künstliche Dünen aufmodelliert. Nun kommt es bei

Überflutungen zur Ab- und Umlagerung von Sanden. Spezifische

Pflanzengesellschaften der Sandökosysteme (Silbergrasfluren

und Sandnelkenrasen) konnten nach Her-

Abbildung 3 Die »Hammer Schleife«, ein Mäander der Hase bei Haselünne (Emsland),

15 Monate nach den Renaturierungsmaßnahmen. Erkennbar sind aufgeschüttete

»Neodünen« und angelegte Flachwasserbereiche. Durch die Rückverlegung der Deiche

ist die Fläche winterlichen Hochwasserereignissen ausgesetzt. Hierdurch bilden sich

u.a. fluviatile Sandfächer.

stellung nährstoffarmer Standortsbedingungen wieder

etabliert werden (Abbildung 3). Mangels spontaner Diasporenverfügbarkeit

ist eine Inokulation

(Beimpfung) mit standortstypischem

Pflanzenmaterial aus Spenderflächen

notwendig gewesen. Eine spezifische

Beweidung durch Rinder (sechs Monate

Tritt- und Fraßwirkung, Besatz von ca.

0,7 Großvieheinheiten pro Hektar) verhindert

eine Sukzession der Vegetation.

Seit den Jahren 2001 und 2002 untersuchen

wir regelmäßig die Entwicklung

der Vegetation mit und ohne Weideeinfluss,

prüfen Veränderungen bestimmter

Standortfaktoren (z.B. Nährstoffeinträge

und -verlagerung) sowie die Etablierung

ausgewählter Tiergruppen in

den renaturierten Flächen.

Ökologie

31


Literaturauswahl

Holtgrefe, S., Gohlke, J., Druce, S.,

Starmann, J., Klocke, S., Altmann,

B., Wojtera, J., Linke, V., Lindermayr,

C. and Scheibe, R. (2008) Regulation

of plant cytosolic gly ce -

raldehyde 3-phosphate dehy dro -

genase isoforms by thiol modification.

Physiol. Plant. 133: 211 - 228.

Voss, I., Koelmann, M., Wojtera, J.,

Holtgrefe, S., Kitzmann, C., Backhausen,

J. E. and Scheibe, R. (2008)

Knock-out of major leaf ferredoxin

reveals new redox-regulatory

adaptations in Arabidopsis thaliana.

Physiol. Plant. 133: 584 -

598.

Strodtkötter, I., Padmasree, K., Dinakar,

C., Speth, B., Niazi, P. S., Woj -

tera, J., Voss, I., Do, P. T., Nunes -

Nesi, A., Fernie, A. R., Linke, V., Raghavendra,

A. S. and Scheibe, R.

(2009) Induction of the AOX1D

isoform of alternative oxidase in A.

thaliana T-DNA-insertion lines lacking

isoform AOX1A is insufficient

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when treated with antimycin A.

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Hanke, G. T., Holtgrefe, S., König, N.,

Strodtkötter, I., Voss, I., and

Scheibe, R. (2009) Use of transgenic

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maintenance of redox-homeostasis

during photosynthesis. Adv.

Bot. Res. 52, 207 - 251.

Scheibe, R. (2010) Redox-Regulation:

Ein Netzwerk zur flexiblen

Anpassung von Stoffwechsel und

Entwicklung bei Pflanzen. Biologie

in unserer Zeit 40, 92 - 100.

Kontakt

Prof. Dr. Renate Scheibe, Dr. Guy

Thomas Hanke, Dr. Vera Linke

Telefon: +49 (0)541 969 2282

(Sekretariat Frau Schwiderski)

E-Mail: scheibe@biologie.uniosnabrueck.de

· hanke@biologie.

uni- osnabrueck.de · linke@biologie.uni-

osnabrueck.de

Internet: http://www.uniosnabrueck.de

32

Pflanzenphysiologie

AG Pflanzenphysiologie

Redox-Regulation von Stoffwechsel und Genexpression

Pflanzen sind in der Lage, die für ihre Funktion und ihr Wachstum notwendigen Informationen

aus ihrer Umgebung wahrzunehmen, zu verarbeiten und darauf zu reagieren.

Vielfach äußert sich Stress in einer Verschiebung des zellulären Redox-Zustands, was

gleichzeitig als Signal für die Induktion von Schutzmechanismen dient und sowohl Stoffwechsel

als auch Entwicklung beeinflusst, um alle Lebensprozesse an die veränderten

Bedingungen anzupassen.

Durch veränderte Umweltbedingungen, aber

auch bei Entwicklungsprozessen oder bio ti -

schem Stress, kommt es häu fig zur Ver än de -

rung des zel lu lä ren Re dox-Gleich ge wichts. Da -

durch wer den über noch nicht im Ein zel nen i -

den ti fi zier te Sig nal trans duk tions we ge Än de -

run gen der Gen ex pres sion aus ge löst, die letzt -

lich zur Etablie rung des neuen Fließ gleich ge -

Abbildung 1: Über das »Malat-Ventil« werden in

grünen Blättern über schüssige Elektronen (NADPH)

aus den photosynthetischen Lichtreaktionen in Form

von Malat aus den Chloroplasten exportiert, um

Überreduktion und Bildung von ROS (Reaktive Sauerstoffspezies)

zu vermeiden. Das dafür verantwortliche

Enzym, die NADP-abhängige Malatdehydrogenase

(NADP-MDH) ist unter starker Redoxkontrolle,

sowohl auf post-translationaler Ebene (Licht/Dunkel-Modulation)

als auch auf Transkriptionsebene

(retrogrades Redox-Signal an den Kern).

Transgene Pflanzen mit einer T-DNA-Insertion im

Gen der NADP-MDH scheinen überraschenderweise

unverändert gegenüber dem Wildtyp zu sein. Wie

Stress

wichts bei tra gen. Eine Über tra gung von Sig na -

len, die aus einem ver än der ten Re dox sta tus re -

sul tie ren, könnte – ana log zu Pro te in phos pho -

ry lie rungs kas ka den – über Re dox -Kas ka den

vom Ort der Ent ste hung (z. B. den Chlo ro plas -

ten oder den Mi to chon dri en) bis zum Ziel ort (z.

B. im Kern) von stat ten ge hen. Re dox-Sig na le

könn ten aber auch über re dox -re gu lier te Ki na -

sich bei der funktionellen Charakterisierung dieses

»knockout« zeigte, werden mehrere alternative Wege

zum Abbau von Überreduktion in den Chloroplasten

hochreguliert, um

den Defekt auszugleichen.

Derartige

Analysen ermöglichen

die Identifizierung

weiterer molekularer

Mechanismen

zur Erhaltung der

Redox-Homöostase.

WT NADP-

MDH


sen und Phos pha ta sen mit Pro te in phos pho ry lie rungs kas -

ka den ver knüpft sein. Die Re zep to ren, die Kom po nen ten

der Kas ka de oder wei te re re dox-mo du lier te Ziel en zy me be -

zie hungs wei se Trans krip ti ons fak to ren und ent spre chen de

cis-Ele men te in den Pro mo to ren der Ziel gene zu iden ti fi -

zie ren, stellt eine große Heraus for de rung dar, die wir mit

Hil fe von Gen-»knock outs« in Ara bi do psis tha li a na bearbeiten.

Pflan zen be nö ti gen Fak to ren aus der Um welt für ihr

pho to au to tro phes Wachs tum, je doch sind sie durch ihre

ses si le Le bens wei se Ab wei chun gen vom Op ti mum aus ge -

lie fert. An pas sung an sehr un ter schied li che Be din gun gen

ist ihnen aber mög lich, da pflanz li che In di vi du en ei nes

Geno typs durch ent spre chen de Ver än de rung ihrer Re ak ti -

ons norm eine ho he phä no ty pi sche Plas ti zi tät auf wei sen.

Alle In for ma ti o nen wer den in te griert und über ein hoch -

flexib les Netz werk wei ter ge lei tet und re a li siert. Die Re ak -

ti o nen der Pflan zen spie len sich auf allen Re gu la ti ons e be -

nen ab und um fas sen so wohl sehr schnel le bio phy si ka li -

sche und bio che mi sche Pro zes se im Se kun den- und Mi nu -

ten be reich wie zum Bei spiel die Licht/ Dun kel mo du la ti on

von Chlo ro plas ten en zy men, als auch mit tel- und lang fris -

ti ge Re ak ti o nen, die sich nach Stun den (Gen ex pres si on)

oder erst nach Ta gen (Wachs tum) aus wir ken. In al len Be -

rei chen spie len Re dox-Pro zes se ei ne be deu ten de Rol le.

Wei te re Pro jek te be fas sen sich mit den Kom po nen ten

der pho to syn the ti schen Elek tro nen trans port ket te, Fer re -

doxin und Ferre doxin-NADP-Oxi do re duk ta se (FNR), die

Elek tro nen für re duk ti ve Pro zes se ins Chlo ro plas ten stro ma

wei te rlei ten, sowie mit den ver schie de nen re dox-ak ti ven

Pro te i nen, den Thio re do xi nen und ver wand ten Struk tu ren,

die über Thi ol-Di sul fid-Aus tausch Re dox ver än de run gen an

Ziel pro te ine ver mit teln.

Abbildung 3 Retrogrades Redox-Signal vom Chloroplasten zum

Kern: Die ver än der te Gen ex pres sion der kern ko dier ten NADP-MDH

er folgt als Ant wort auf ein Sig nal aus den Chlo ro plas ten, wenn bei

Stress eine Ver schie bung des Re dox-Sta tus ein tritt. Um die Schritte

A

B

C

Abbildung 2 Transiente Trans -

formation von isolierten

Protoplasten: Isolier te Pro to -

plas ten aus Blät tern von Arabidopsis

tha li a na (A), dem

Mo dell or ga nis mus der mo le -

ku la ren Pflan zen bi o lo gie, kön -

nen tran sient mit ver schie de -

nen Kon struk ten trans for miert

wer den, um die sub zel lu lä re

Ver tei lung von Pro te i nen

sicht bar zu machen. In B wur -

de das Ak tin-Zy to ske lett mit

ei nem Ak tin-bin den den Pro -

te in, das an ein rot flu o res -

zie ren des Pro te in fu sio niert

wur de, an ge färbt und im

kon fo ka len La ser-Scan ning-

Mi kro skop betrachtet. In C

wur de das so ge nann te »YFP-

System« ver wen det, um die

In ter ak ti on von zwei Pro te i -

nen (hier einer cy to so li schen

GAPDH und einem Thi o re do -

xin) zu de tek tie ren, wie im abgebildeten

Beispiel.

Schließ lich lau fen auch in nicht-grünen Ge we ben Re dox-

Pro zes se ab, die je nach Stoff wech sel si tu a ti on oder Stress -

ein wir kung fle xi bel re gu liert wer den. Da bei spie len ne ben

den Plas ti den auch die Mi to chon dri en eine her aus ra gen de

Rol le, de ren Al ter na ti ve Oxi da se (AOX) in der La ge ist, über -

schüs sige Re duk ti ons ä qui va len te ohne ATP-Syn the se ab -

zu lei ten und zu ent sor gen. Die Funk ti o nen der ver schie de -

nen Iso for men von AOX wer den e ben falls mit mo le ku lar -

bio lo gi schen und zell bio lo gi schen Me tho den a na ly siert.

der Sig nal trans duk ti on zu iden ti fi zie ren, wer den ver schie de ne mo le -

ku la re und zell bio lo gi sche An sät ze durch ge führt, wie dies in Ab bil -

dung 2 bei spiel haft ge zeigt ist.

33

Pflanzenphysiologie


Literaturauswahl

Meyer, H., Vitavska, O. and Wieczorek,

H. (2011) Identification of the

first animal sucrose transporter. J.

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Bockelmann, S., Menche, D., Rudolph,

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dissociation of peripheral subunits.

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Kontakt

Prof. Dr. Helmut Wieczorek,

Dr. Markus Huß,

PD Dr. Thomas Krüppel,

Dr. Olga Vitavska

Telefon: +49 (0)541 969 3500 (Sekretariat

Frau Scott)

E-Mail: wieczorek@biologie.uniosnabrueck.dehuss@biologie.uniosnabrueck.dekrueppel@biologie.uniosnabrueck.devitavska@biologie.uniosnabrueck.de.

Internet: http://www.biologie.uniosnabrueck.de

34

Tierphysiologie

AG Tierphysiologie

Molekulare und zelluläre Physiologie

Biologische Membranen trennen lebende Zellen von ihrer Umgebung und ermöglichen

intrazellulär die Bildung von abgeschlossenen Kompartimenten, den Organellen. Membranen

sind selektiv permeabel für Ionen und Nährstoffe und ermöglichen mittels sogenannter

Transportproteine den Stoffaustausch. Die AG Tierphysiologie beschäftigt sich

vorwiegend mit der Struktur, Funktion und Regulation wichtiger Transportproteine, die

mit einem breiten Spektrum biochemischer, molekulargenetischer, zellbiologischer und

physiologischer Methoden untersucht werden.

Abbildung 1 Reversible Dissoziation der V-ATPase. Das aktive, aus 12

unterschiedlichen Untereinheiten bestehende Holoenzym zerfällt unter

bestimmten Bedingungen in die V1- und VO-Komplexe sowie die V1-Untereinheit

C und wird damit inaktiviert. In der oberen Reihe sind die untersuchten

Organismen dargestellt.

Im Mittelpunkt des Interesses steht die V-

ATP ase, eine bei allen Tieren, Pflanzen und

Pilzen vorkommende Protonenpumpe [Ab -

bildung 1]. Die ergiebigste in der Natur vor-

kommende Quelle für biochemische

Analysen dieses komplexen

Pro teins sind die Raupen

des Tabakschwärmers Mandu -

ca sexta. Aus Zellmembranen

des Mitteldarms lassen sich

vergleichsweise einfach und

schnell Milligramm-Mengen an

V-ATPase isolieren. Unsere bisherigen

Untersuchungen an

diesem Protein führten zu einer

Reihe allgemeiner Einsichten in

seine Struktur, Funktion und

Regulation. So haben wir z. B.

bestimmte Untereinheiten zum

ersten Mal molekular identifiziert,

die ersten Strukturuntersuchungen

bei dieser Proteinfamilie

vorgenommen, einen für V-ATPasen allgemeingültigen

Regulationsmechanismus, die

reversible Dissoziation des Gesamtproteins in

den V1 und den VO-Komplex, entdeckt und

Abbildung 2 Links die Fluoreszenzaufnahme einer transgenen Drosophila-Larve, die eine V-ATPase Untereinheit mit

gekoppeltem GFP exprimiert. Rechts sind Hefezellen zu sehen, bei denen die V1-Untereinheit C mit grün fluoreszierendem

Protein (GFP) fusioniert wurde. Fluoreszenzaufnahmen, die die Lokalisation von C in Gegenwart von Glucose (2 und 4)

und Galactose (3) zeigen. Beim Wechsel des Mediums von Glucose zu Galactose dissoziiert C reversibel von der Vakuolenmembran

und gelangt in das Cytoplasma.


erstmals die Untereinheit identifiziert, an die bestimmte

bakterielle Hemmstoffe binden. Weitere von uns bearbeitete

Modellobjekte sind die Taufliege Drosophila, die

Stechmücke Aedes und die Bäckerhefe Saccharomyces.

Der Vorteil dieser Organismen ist ihr vollständig entschlüsseltes

Genom, was es ermöglicht, die Gene für die

Untereinheiten der V-ATPase gezielt zu mutieren und

dann mit definiert veränderten V-ATPasen zu experimentieren.

Derzeit wird v. a. der Mechanismus der reversiblen

Dissoziation [Abbildung 2] und der inhibitorische Einfluss

neuentdeckter Naturstoffe aus Bakterien [Abbildung 3]

untersucht. Letzteres ist auch unter medizinischen Gesichtspunkten

von Interesse, da die V-ATPase sowohl bei

der Metastasenbildung von Tumoren als auch bei Krankheiten

wie der Osteoporose eine bedeutende Rolle spielt

(Huß, Vitavska und Wieczorek).

Ein weiteres Arbeitsgebiet betrifft den Transport von

Zuckern über tierische Membranen. Einem allgemeinen

Lehrbuch-Dogma zufolge verfügen Tiere nur über Transportmechanismen

für Monosaccharide wie z. B. dem

Traubenzucker Glucose, komplexere Zucker müssen vor

Abbildung 4 Fluoreszenzmikroskopischer

Nachweis des Saccharose-

Transporters bei Drosophila. Links die

Lokalisation in Melanosomen-Membranen

von Follikelzellen der Ovarien,

rechts die Lokalisation im Darmepithel

eines späten Embryos.

Abbildung 3 Bakterielle Hemmstoffe von

V-ATPasen, Bafilomycin aus Streptomyceten

(links) und Archazolid aus Myxomyceten

(rechts). In der Mitte das Modell des

Ringes aus 10 c-Untereinheiten des VO-

Komplexes, welche abwechselnd hell-und

dunkelgrau eingefärbt sind. An der Bindung

der Hemmstoffe (gelb bzw. grün)

beteiligte Aminosäuren sind blau, rot und

orange eingefärbt.

dem Transport über die Membran gespalten werden. Bei

der Taufliege Drosophila haben wir erstmals ein Membranprotein

nachgewiesen, das den »Haushaltszucker«

Saccharose, ein Disaccharid, transportiert [Abbildung 4].

Das Protein kommt zum einen in der Membran von Melanosomen

vor, in denen Saccharose für die osmotische

Balance bei der Melanin-Synthese verantwortlich sein

könnte. Zum anderen ist es in der Zellmembran von Epithelzellen

des Darms lokalisiert, wo es möglicherweise

für die Aufnahme von Saccharose aus der Nahrung verantwortlich

ist. Da Gene für ein entsprechendes Protein

auch beim Menschen vorkommen und Mutationen zu

spezifischen Krankheitsbildern wie zum Beispiel bestimmten

Formen von Albinismus führen, untersuchen

wir dessen Funktion auch bei Säugetieren (Vitavska und

Wieczorek).

Abbildung 5 Membranpotentialmessung

am

marinen Ciliaten Euplotes

vannus/crassus. Mit

elektrophysiologischen

Mikroelektrodentechnologien

werden die

Potential- und CalciumabhängigenIonenkanäle

dieses Einzellers

analysiert.

Ein drittes Arbeitsgebiet beschäftigt sich mit der

Analyse des komplexen Bewegungsverhaltens einzelliger

Wimperntierchen [Abbildung 5]. Hierbei werden mit elektrophysiologischen

Methoden Ionenkanäle untersucht, die

die komplexe Cilienbewegung steuern (Krüppel).

Tierphysiologie

35


Literaturauswahl

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Kontakt

apl. Prof. Dr. Hans Merzendorfer

Telefon: +49 (0)541 969 3502

E-Mail: merzendorfer@biologie.

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36

Tierphysiologie

AG Tierphysiologie

Chitin-Biosynthese

Chitin ist ein weit verbreitetes Polymer aus N-Acetylglucosamin-Einheiten, das für die chemisch/pharmazeutische

Industrie zunehmend an Bedeutung gewinnt. In der Natur findet

sich dieses faserartige Molekül unter anderem in den Zellwänden von Pilzen und in mechanisch

widerstandsfähigen Bioverbundstoffen wie den Panzern von Insekten. Chitin lässt sich

aber auch in der peritrophischen Matrix im Verdauungstrakt von Invertebraten nachweisen.

Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit dem Metabolismus von Chitin bei Pilzen und Insekten.

Dabei untersuchen wir mit molekularbiologischen und biochemischen Methoden

die verschiedenen Proteine, die für die Biosynthese, Modifizierung und Degradation von

Chitin benötigt werden. Daneben interessieren wir uns für die Wirkmechanismen von Inhibitoren

der Chitinsynthese, die als Fungizide und Insektizide breite Verwendung finden.

Ein zentrales Enzym im

Chitin-Metabolismus

von Pilzen und Insekten

ist die Chitinsynthase,

eine membrangebunde -

ne Glycosyltransferase,

welche die Polymerisationsreaktion

katalysiert.

Nachdem wir die Chitinsynthase

erstmalig aus

Insekten biochemisch ge -

rei nigt und charakterisiert

haben, untersuchen

wir nun ihre Struktur und

Regulation. Letztere lässt

sich nicht vollends verstehen,

ohne intrazelluläre

Prozesse zu berücksichtigen.

Deswegen ana -

ly sieren wir die Prozessierung

und Sortierung

relevanter Proteine in der

Bäckerhefe, einem zellbiologischenModellorganismus,

in dem Chitin

für die Zellwand produziert

wird. Die Chitinsynthese

ist ferner ein Angriffspunkt

für Fungizide

und Insektizide, die im

Pflanzenschutz oder bei der Behandlung von

Infektionskrankheiten eingesetzt werden können.

Wir untersuchen dabei vor allem die

Gruppe der Benzoylphenyl-Harnstoffe, da bislang

nicht bekannt ist, wie diese seit langem

eingesetzten Insektizide genau wirken. Der

rostbraune Mehlkäfer, Tribolium castaneum,

dessen Genom komplett sequenziert ist, dient

uns dabei als Modellsystem, wobei wir genomische

und proteomische Untersuchungsansätze

Abbildung (A) In der Abbildung ist eine knospende Hefezelle gezeigt, wobei die intrazelluläre

Lokalisation einer Chitinsynthase (Chs3) mit Hilfe des grün-fluoreszierenden Proteins sichtbar

gemacht wurde. Für ihre Aktivität am Knospenhals wird die regulatorische Untereinheit Chs4

benötigt, die über CaaX-Prozessierung modifiziert wird. Abbildung (B) 2D-Gelektrophorese von

Proteinen aus dem larvalen Mitteldarm von Tribolium castaneum zur Untersuchung der Veränderung

des Mitteldarm-Proteoms nach Behandlung mit dem Insektizid Diflubenzuron.

Abbildung (C) Homologie-basiertes Strukturmodell einer Chymotrypsin-ähnlichen Protease aus

der Häutungsflüssigkeit von Tribolium castaneum. Das aktive Zentrum ist blau, die Spezifitätstasche

rot, ein Oberflächen-Loop orange und eine Glycosylierungsstelle (Pfeil) grün eingefärbt.

Wir stellen diese Proteine rekombinant in Insektenzellen her, um ihre Spezifität nach ortsgerichteter

Mutagenese zu analysieren. Abbildung (D) Gefrierschnitt durch eine Tribolium-Larve.

Die fixierten Schnitte wurden mit fluoreszierenden Farbstoffen gefärbt, um Zellkerne (blau),

Aktinfilamente (rot) und Chitin-haltigen Strukturen (grün) darzustellen.

verfolgen. Potenzielle Zielgene lassen sich in

diesem Organismus zudem über RNA-Interferenz

ausschalten, was die Analyse erheblich

vereinfacht. Weitere Forschungsschwerpunkte

in unserer Arbeitsgruppe sind die Analyse der

funktionellen Vielfalt Chymotrypsin-ähnlicher

Serinproteasen bei Insekten sowie die biologische

Funktion der peritrophischen Matrix im

Darm der Stechmücke Aedes aegypti.


Literaturauswahl

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Kontakt

Prof. Dr. Judith Korb,

Dr. Heike Feldhaar;

Dr. Rebecca Schulte-Iserlohe

Telefon: +49 (0)541 969 2847

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38

Verhaltensbiologie

AG Verhaltensbiologie

Evolutionäre VerhaltensÖkologie (EVO): Vom Gen zum Ökosystem

Interaktionen zwischen Organismen liegen in einem Spannungsfeld zwischen Konflikt/

Konkurrenz und Kooperation. Dies gilt für den Menschen ebenso wie für intra- und interspezifische

Interaktionen zwischen Individuen anderer Arten. Selbst auf suborganismischer

Ebene sind die Wechselbeziehungen, beispielsweise zwischen Genen, durch Konflikt und

Kooperation gekennzeichnet. Die AG Verhaltensbiologie untersucht an verschiedenen Systemen,

welche Faktoren Kooperation gegenüber Konflikt / Konkurrenz begünstigen. Unsere

derzeitigen Modellsysteme sind insbesondere soziale Insekten (Termiten und Ameisen), die

in ihren Gemeinschaften ein außergewöhnlich hohes Maß an Kooperation aufweisen,

Parasit-Wirt-Systeme und mutualistische Symbiosen. Ein weiterer Schwerpunkt unserer

Arbeiten liegt auf tropischen Ökosystemen, insbesondere Savannen. Hier gehen wir der

Frage nach, warum die Tropen so artenreich sind. Unser Ziel bei allen Untersuchungen ist

es, Ansätze und Methoden der Evolutionsbiologie und der Ökologie eng zu verknüpfen. In

unseren Arbeiten kommen Freilanduntersuchungen und klassische Verhaltensbeobachtungen

ebenso zum Einsatz wie moderne molekularbiologische Techniken (DNA Isolation,

Mikrosatellitenanalysen, Sequenzierung, PCR, quantitative realtime PCR, RNA Interferenz)

oder Gaschromatografische Analysen.

Soziale Insekten leben in komplexen Ge -

mein schaften, die durch reproduktive Ar -

beits teilung charakterisiert sind: nur wenige

Individuen (Königin und König) pflanzen sich

fort, während der Großteil der Individuen

(Arbeiter und Soldaten) zumindest vorübergehend

auf eigene Fortpflanzung verzichtet

und bei der Aufzucht der Jungen hilft. Dieser

Verzicht auf eigene Fortpflanzung stellt ein

evolutionäres Rätsel dar, da Evolution Or -

ganis men begünstigt, die sich am erfolgreichsten

fortpflanzen. Eine Lösung dieses

Rätsels ist Verwandtenselektion: Die Arbeiter

und Soldaten erhöhen durch ihre Hilfe den

Fortpflanzungserfolg nahe verwandter Individuen

(i. d. R. den ihrer Eltern). Wichtig ist

dabei aber nicht nur der Verwandtschaftsgrad,

sondern auch der Nutzen der Hilfe und

die Kosten, die den Helfern durch die Hilfe

entstehen. Diese Faktoren sind von öko lo -

gischen Umweltbedingungen abhängig.

Ver wandtenselektion sagt aber auch vorher,

dass es zu Konflikten innerhalb der Gemeinschaften

kommen kann. Wir erforschen die

Ursachen von Kooperation und Konflikten in

sozialen Insektengemeinschaften und die

molekularen Grundlagen ihrer reproduktiven

Arbeitsteilung. [Abbildung 1]

Langfristige Interaktionen zwischen Arten

reichen in ihren extremsten Formen von Mutualismus

bis zu Pa ra si tismus. Wichtige Faktoren,

die bestimmen, in wie weit zwei (oder

Abbildung 1 A veranschaulicht das Prin zip der Verwandtenselektion.

In di vi duen können ihre Fitness

steigern, indem sie Ver wandten (r; hier gekennzeichnet

durch die gleiche Augenfar be) helfen, zusätzliche

Nachkommen auf zu ziehen. Das blaue, große

»Individu um« hilft dem verwandten weißen, großen

»Individuum«, welches dadurch zwei zusätzliche

Nachkommen (klei ne, weiße Kreise) hat.

Abbildung 1 B zeigt Individuen einer Termitenart

(Cryptotermes secundus), bei der Arbeiter sich in alle

anderen Kasten (sterile Soldaten oder reproduzierende

Geschlechtstiere) entwickeln können. Wann ein

Tier welche Option »wählt«, wird von uns untersucht.

Abbildung 1 C Hier ist ein Modell des Proteins eines

»Königinnen-Gens« dargestellt, dass eine wichtige

Rolle bei der Sicherstellung des reproduktive Monopols

der Königin spielt.


mehr) Arten eher kooperieren oder sich ausnutzen, sind

unter anderem die genetische Homo ge nität des Symbionten

im Wirt oder der Weitergabe mo dus des Symbionten.

Beispielsweise kultivieren hö he re Termiten spezifische Pilze

als Nahrung oder Amei sen der Gattung Camponotus be-

A B

Abbildung 2 A zeigt eine Arbeiterin von Camponotus floridanus.

Ameisen dieser und verwandter Gattungen beherbergen in ihrem

Darmgewebe Bakterien. Diese Bakterien werten die Nahrung der

Ameisen auf, indem sie aus nicht-essentiellen Aminosäuren essentielle

herstellen.

Abbildung 2 B zeigt den Ausschnitt des Mitteldarmgewebes einer

Larve von Camponotus floridanus. Über Fluoreszenz in situ Hybridisierung

(FISH) sind die Bakterien in spezifischen Zellen grün angefärbt,

wohingegen die normalen Darmzellen ohne Bakterien rot

gefärbt sind.

herbergen bakterielle Symbionten im Darmgewebe, die ihre

Wirte mit essentiellen Aminosäuren versorgen. Im Gegensatz

zu den pilzzüchtenden Termiten, die z. T. bei der Koloniegründung

zunächst Pilzsporen aus der Umgebung aufnehmen

müssen, erfolgt die Weitergabe der bakteriellen

Symbionten der Ameisen in die nächste Generation über

die Eizellen. Dies hat zur Folge, dass zwischen den Ameisen

und ihren Endosymbionten Konflikte vermieden werden, da

die Fitness der Symbiosepartner eng miteinander

verknüpft ist. Im Gegensatz dazu kann es inner halb der

Pilzgärten von Termiten zu interspezifischer Konkurrenz

kommen, wenn ein neuer Pilzgarten mit un ter schiedlichen

Pilzlinien begonnen wird. [Abbildung 2]

Parasit-Wirt-Interaktionen führen offensichtlich zu

einem Konflikt zwischen den jeweiligen interagierenden

Arten. Parasiten schaden dem Wirt, um ihn als Ressource

zu benutzen, Wirte versuchen dem Parasitenbefall zu entkommen

oder den angerichteten Schaden zu reduzieren.

Dies kann potenziell zu einem Wettrüsten führen, der antagonistischen

Koevolution, die von starken Dynamiken

gekennzeichnet sein sollte und Auswirkungen auf diverse

Lebensaspekte beider Gegenspieler haben sollte. Parasit-

Wirt-Koevolution in der Natur zu studieren ist allerdings

nicht einfach, da viele unbekannte Faktoren die Interak tion

beeinflussen. Daher untersuchen wir die Koevolution zwischen

mikrobiellen Parasiten und dem Fadenwurm Caenorhabditis

elegans als Wirt mit Hilfe von experi menteller

Evolution. Mit dieser Methode kann man die Evolution in

Echtzeit verfolgen, und zwar im Labor unter kontrollierten

Bedingungen. Es können gezielt Parameter, wie zum Beispiel

die genetische Diversität, verändert werden, um deren Bedeutung

für die Koevolution zu bestimmen. [Abbildung 3]

Abbildung 4 zeigt verschiedene hügelbauende

Termitenarten afrikanischer Savannen

und ei nen Ausschnitt eines phy lo ge ne ti -

schen Stammbaums ko-existie ren der Termitenarten.

A Oben links und unten rechts, zwei pilzzüchtende

Termiten (Macrotermes bellicosus

und Macrotermes subhyalinus) mit

ihren bis zu mehreren Metern

hohen Hügeln; oben rechts: 0.5 m

hoher Hügel der grasfressenden

Termite Trinervitermes geminatus;

unten links: 0.3 m hoher Hügel der

humivoren Termite Cubitermes.

B Im phylogenetischen Stammbaum,

der auf Sequenzdaten der

Gene Cytochrom Oxidase I und

Cytochrom Oxidase II beruht, sind

ko-existierende pilzzüchtende Termiten

(Macrotermitinae) dargestellt,

die alle eine sehr ähnliche

Nische besetzen.

Die Tropen beherbergen sehr viel mehr Arten als die

Ökosysteme unserer gemäßigten Breiten. Dies gilt nicht

nur für tropische Regenwälder, sondern auch für Savannen.

Warum in den Tropen mehr Arten ko-existieren können, ist

immer noch weitgehend unverstanden. Termiten spielen in

tropischen Ökosystemen u.a. eine wichtige Rolle für die C-

Mineralisierung, die Bodenfertilität und den Artenreichtum

anderer Taxa. Sie werden deshalb auch als ›Ökosystem-Ingenieure‹

bezeichnet. Wir untersuchen die Artenvielfalt, die

Populationsdynamik und ihre zugrundeliegenden Mechanismen

von Termitengemeinschaften afrikanischer Savannenökosysteme.

[Abbildung 4]

Abbildung 3 zeigt den Fadenwurm Caenorhabditis elegans, hier erkennbar

mit dem Bakterium Bacillus thuringiensis infiziert. Diese beiden

Organismen dienen uns als Modellsystem, um Parasit-Wirt-Inter -

aktionen zu studieren. Vorteil dieses Systems ist, dass die Organismen

einfach im Labor zu halten sind, sie sowohl auf Organismen- als auch

auf genetischer Ebene gut erforscht sind, und man aufgrund der kurzen

Generationszeit Evolution in Echtzeit verfolgen kann. So können gezielt

Parameter, wie zum Beispiel die genetische Diversität, verändert werden,

um deren Bedeutung für die Koevolution zu bestimmen.

39

Verhaltensbiologie


Literaturauswahl

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Kontakt

Prof. Dr. Achim Paululat,

apl. Prof. Dr. Günter Purschke

Telefon: +49 (0)541 969 2285

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E-Mail: paululat@biologie.uniosnabrueck.de,purschke@biologie.uni-osnabrueck.de

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40

Entwicklungsbiologie

AG Zoologie-Entwicklungsbiologie

Molekulare Entwicklungsgenetik

Fehlbildungen des Herzens und der großen Gefäße sind die häufigsten angeborenen Entwicklungsdefekte,

die beim Menschen auftreten. So kommen zirka 8 von 1000 Kindern mit

einem Herzfehler zur Welt. Die Fehlbildungen manifestieren sich bereits früh in der Embryonalentwicklung,

da sich das Herz als eines der ersten lebenswichtigen Organe bildet.

Funktioniert es normal, so versorgt es über ein zirka 100.000 km langes Netzwerk aus Blutgefäßen

alle Gewebe unseres Körpers. In der AG Zoologie-Entwicklungsbiologie erforschen

wir am genetisch und molekularbiologisch gut zugänglichen Modellorganismus Drosophila

melanogaster, der Fruchtfliege, den Bau, die Funktion und die Entwicklung des Herzens.

Unsere Erkenntnisse sollen dazu beitragen, grundlegende Mechanismen der Herzbildung

und Herzfunktion besser verstehen zu lernen.

Höhere Organismen, wie beispielsweise Frösche,

Vögel oder Säugetiere, besitzen wie der

Mensch ein in sich geschlossenes Kreislaufsystem,

bei dem das Herz das Blut durch ein

weit verzweigtes Netz von Blutgefäßen

pumpt und so alle Organe im Körper versorgt.

In Ruhe werden von einem gesunden Herzen

etwa 5 Liter Blut pro Minute gepumpt. Die

meisten Invertebraten, etwa Insekten, Krebse

und Würmer, besitzen hingegen ein offenes

Kreislaufsystem, bei dem das »Blut«, bei Insekten

spricht man von Hämolymphe, vom Herzen

durch die Kontraktion der Herzzellen

durch die gesamte Körperhöhle geleitet wird.

Bemerkenswerterweise ähneln sich viele

der molekularen Prozesse, die während der

Embryogenese für die Bildung eines funkti-

onsfähigen Herzens in Insekten oder dem

Menschen wichtig sind, stark. Selbst typische

Alterungsprozesse, die beim Menschen die

Funktionsfähigkeit des Herzens mit zunehmendem

Lebensalter beeinträchtigen, sind bei

Insekten gefunden worden. In unserer Arbeitsgruppe

untersuchen wir daher an der

Fruchtfliege Drosophila melanogaster wie ein

Herz konstruiert ist, wie es funktioniert und

welche Gene für die Herzbildung wichtig sind,

da uns hier eine erstaunliche Vielzahl an experimentellen

Möglichkeiten zu Verfügung

steht. Für unsere Untersuchungen im Labor

nutzen wir neben molekularbiologischen und

genetischen Arbeitstechniken auch hochmoderne

bildgebende Verfahren, die es uns erlauben,

die Entstehung des Herzens und des-

Abbildung 1 zeigt einen Drosophila-Embryo, bei dem mit Hilfe der Laser-Scanning-Mikroskopie mehrere Organsysteme

sichtbar gemacht wurden. Das mit Hilfe von Antikörpern blau markierte Nervensystem erstreckt sich entlang

der Bauchseite des Tieres. Die rot gefärbte Muskulatur dient der Fortbewegung der Larve. Das grün leuchtende Herz

ist für die Zirkulation der Körperflüssigkeit verantwortlich. Das Kreislaufsystem der Insekten besteht im Wesentlichen

aus einem einfach aufgebauten Herzrohr.


Abbildung 2 Mit Hilfe der Elektronenmikroskopie lassen sich Zellen

sehr genau untersuchen. Die Abbildung zeigt einen Querschnitt

durch das Drosophila-Herz. Es wird deutlich, dass jeweils

zwei Herzzellen durch ihre besondere Form ein Lumen bilden,

durch das das Blut hindurch strömen kann. Auf der linken Seite

ist eine Herzmuskelzelle (Kardiomyocyte) grün unterlegt. Das Herz

wird von Perikardzellen begleitet, die hier gelb eingefärbt wurden.

sen Funktion im lebenden Tier ohne operative Eingriffe

direkt verfolgen zu können. Unser besonderes Augenmerk

gilt sowohl jenen Prozessen, die auf der Ebene einzelner

Herzzellen ablaufen, als auch denjenen, die dafür sorgen,

dass Zellen miteinander kommunizieren und untereinander

Netzwerke bilden. So untersuchen wir Drosophila-

Mutanten, bei denen der »Klebstoff« zwischen Zellen im

Herz fehlerhaft verarbeitet wird. Aus diesen Analysen

wollen wir lernen, wie Zellverbindungen in Organsystemen

hergestellt werden. Weitere Projekte befassen sich

mit den Bildungsleistungen der Herzzellen. Während der

Embryogenese nehmen Herzzellen eine bestimmte Form

an, die zur Bildung eines inneren Lumens führt. Durch

dieses Rohr wird später das »Blut« gepumpt. Dazu sind

bestimmte in Mikrokompartimenten lokalisierte Membranproteine

notwendig, die ein Verschließen des Herzlumens

verhindern. Andere Zellen des Herzrohrs hingegen

nehmen eine gänzlich andere Gestalt an und bilden Herzklappen,

die einen Rückfluss des »Blutes« verhindern. Wir

erforschen derzeit, welche molekularen Mechanismen der

Differenzierung solcher Spezialisierungen zugrunde liegen.

Eine besondere Gruppe von Proteinen, die an Zell -

oberflächen katalytische Funktionen übernehmen, steht

dabei im Mittelpunkt des Interesses. Ein weiteres aktuelles

Forschungsprojekt beschäftigt sich mit der Entstehung

und Funktion von speziellen Kreislauforganen, die ausschließlich

der Bildung und Versorgung von Insektenflügeln

dienen. Ohne diese »Extraherzen« können Fliegen

nicht fliegen, da ihre Flügel funktionslos sind. Aus evolutionsbiologischer

Sicht sind solche Flügelherzen von großer

Bedeutung, da sie den Erfolg der flugfähigen Insekten

erst ermöglichten.

Abbildung 3 Die Erforschung

von Mutanten, also Tieren mit

genetischen Defekten, spielt bei

unseren Untersuchungen eine

sehr wichtige Rolle. Das Bild oben

links zeigt Ausschnitte aus dem

Herzen eines normalen und eines

fehlentwickelten Drosophila-Embryos.

Die aufgetretene Mutation

führt zu einem lückenhaften Aufbau

wichtiger Herzstrukturen.

Aus der Analyse solcher Mutanten

lernen wir, welche molekularen

Prozesse für die Bildung eines

funktionsfähigen Herzens wichtig

sind. Mit Hilfe von gentechnischen

Methoden werden Proteine

gezielt verändert um so ihre

Funktion im lebenden Tier zu studieren

(oben rechts). Häufig müssen

Proteine gereinigt und isoliert

werden. Arbeiten mit in Kultur

gezüchteten Zellen werden daher

immer bedeutsamer. Das Bild

unten links zeigt eine Insektenzelle

in Kultur, bei der verschiedene

künstlich eingebrachte Proteine

in unterschiedlichen Farben

sichtbar gemacht wurden. Ergänzend

sind biochemische Untersuchungen

notwendig, bei denen bspw. mit Hilfe von Antikörperbasierten-Techniken erforscht wird, ob wichtige Komponenten der Zelle normal gebildet werden.

Die Abbildung unten rechts zeigt eine solche Analyse. Im mutanten Tier ist deutlich zu sehen, dass ein wichtiges Protein fehlt.

41

Entwicklungsbiologie


Literaturauswahl

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Kontakt

Apl. Prof. Dr. Günter Purschke

Telefon: +49 (0)541 969 2857

Fax: +49 (0)541 969 2587

E-Mail: purschke@biologie.uniosnabrueck.de

Internet: http://www.biologie.uniosnabrueck.de

42

Zoologie

AG Zoologie-Entwicklungsbiologie

Morphologie, Evolution und Phylogenie

Die zentrale Fragestellung der systematischen Zoologie ist die Erforschung der Evolution

und Stammesgeschichte (Phylogenie) der vielzelligen Tiere und ihrer Organsysteme. Die

Beschreibung der Vielfalt der Arten, ihrer inneren und aüßeren Strukturen sowie ihrer Biologie

ist ein wesentliches Aufgabengebiet, die Einordnung der Arten gemäß ihrer Verwandtschaften

sowie die Rekonstruktion ihrer Entstehung ein weiteres. Wie kommt es trotz vieler

grundsätzlicher Gemeinsamkeiten in zahlreichen biochemischen und genetischen Prozessen

dennoch zu einer derart großen Vielfalt? So besitzen beispielsweise die ursprünglichsten

Metazoa nur 4 Zelltypen, Saügetiere dagegen mehr als 400. Die Zahl der für Proteine kodierenden

Gene differiert im Vergleich jedoch nur wenig.

Schwerpunkte der eigenen Untersuchungen liegen

auf den Ringelwürmern, Annelida, und den

wahrscheinlich mit ihnen verwandten höheren

Taxa innerhalb der so genannten Lophotrochozoa.

Durch ihre große Diversität und ihr hohes

phylogenetisches Alter sind die Anneliden sehr

gut geeignet, an ihnen neben speziellen Fragestellungen

auch allgemeine Probleme zur Evolution,

Systematik, Phylogenie und Funktionsmorphologie

zu untersuchen. Neben konventionellen

Techniken werden moderne Methoden

der Lichtmikroskopie (konfokale Laserscanningmikroskopie)

ebenso eingesetzt wie die Rasterund

Transmissionselektronenmikroskopie, daneben

auch molekulare Methoden. Untersucht

werden unter anderem Evolution und Diversität

von Augen und Photorezeptorzellen, Nervensystem

und Hautmuskelschlauch sowie die

A

50 µm

B

20 µm

no

g

ci

Tiefenphylogenie und Artbildungsprozesse

(Abb. 1). So besitzen beispielsweise die meisten

Arten mehr als einen morphologisch distinkten

Augentyp, mehrere verschiedene Photorezep -

torzellen und unterschiedliche Sehpigmente,

die jeweils eine unterschiedliche Evolutionsge -

schich te aufweisen und dementsprechend auch

phylogenetische Signale tragen: Innerhalb der

Anneliden ist ein bei Tieren einmaliger Photorezeptorzellentyp

entstanden, dessen Evolutionsgeschichte

nachgezeichnet werden konnte.

Derartige Lichtsinneszellen, die als Phaosome

bezeichnet werden, gibt es nur bei Gürtelwürmern,

zu denen auch die bekannten Regenwürmer

gehören. Primär kommen diese Zellen nicht

in Augen vor; Augen sind in dieser Teilgruppe

offensichtlich zweimal unabhängig entstanden.

sc

1 µm

pc

C

D

2 µm

Abbildung 1A Whole-mount-insitu-hybridisation

zum Nachweis

der Expression eines Sehfarbstoffes

(Pfeilköpfe) in Photorezeptorzellen

bei einem Egel (Helobdella

robusta).

Abbildung 1B Gehirn (g) mit

zahlreichen abgehenden Nerven

eines Polychaeten (Scoloplos armiger)

im konfokalen Laserscanningmikroskop,

markiert mit

einem Antikörper gegen acetyliertes

α-Tubu lin, Tiefenkodierung

erlaubt räum liche Zuordnung.

no Nuchalorgan, ein chemisches

Sin nesorgan; Pfeilköpfe

zeigen auf isolierte Photorezeptorzellen.

Abbildung 1C Markierte Sinneszelle

aus B im Transmissionselektronenmikroskop

(TEM); ci Cilien.

Abbildung 1D Kleines Auge

desselben Polychaeten im TEM

mit Pigment- und Sinneszellen

(pc, sc)


Direktorin

Prof. Dr. Sabine Zachgo

Telefon: +49 (0) 541 969 2840

Kustos

PD Dr. Nikolai Friesen

Telefon: +49 (0) 541 969 2738

Technischer Leiter

Ulrich Rösemann

Telefon: +49 (0) 541 969 2704

Sekretariat

Jutta Doch

Telefon: +49 (0) 541 969 2739

Fax: +49 (0) 541 969 2724

Adresse

Botanischer Garten der

Universität Osnabrück

Albrechtstr. 29

49076 Osnabrück

Internet: http://www.biologie. uniosnabrueck.de/bogos

44

Wendeltreppe im Regenwaldhaus

Botanischer Garten

Der Botanische Garten

der Universität Osnabrück

Das zentrale Anliegen des Botanischen Gartens

ist es, die pflanzliche Artenvielfalt unserer

Erde, ihre Biodiversität, zu erforschen, zu erhalten

und zu vermitteln.

Als universitärer Garten bietet er wesentliche

Voraussetzungen für Forschung und Lehre.

Die Freilandversuchsflächen und eine Vegetationshalle

werden von Studierenden und Wissenschaftlern

des Fachbereichs regelmäßig genutzt,

um experimentelle Forschungsarbeiten

durchzuführen. Er hat sich darüber hinaus zu

einem Anziehungspunkt für eine stetig wachsende

Zahl von Besuchern entwickelt. Die rund

5,6 Hektar große Kernanlage befindet sich in

einem ehemaligen Steinbruch in unmittelbarer

Nähe zum Fachbereich Biologie/Chemie. In

neun Gewächshäuser und einer Vegetationshalle

für Aufzucht und Versuche, sowie verschiedenen

Freiflächen, sind Pflanzen aus aller

Welt vertreten. Schwerpunkte im Freiland sind

die Wälder Nordamerikas und Eurasiens und

die Pflanzen der Gebirge Europas und Asiens

sowie themenbezogene Abteilungen zu Arzneipflanzen

und Duftpflanzen sowie Genetik.

Das Alpinum mit Pflanzen aus den Hochgebirgen

Europas und die Euroasiatische Steppe

sind für den nordwestdeutschen Raum einmalige

Anlagen.

Das 1997 fertig gestellte Regenwaldhaus

ist seit 1998 für die Öffentlichkeit zugänglich.

Hier werden die verschiedenen Ausprägungen

des Tieflandregenwaldes im Amazonasbecken

mit ca. 800 tropischen Pflanzenarten dargestellt.

Über eine Wendeltreppe im 21 m hohen,

die Steilwand überragenden

Haus, können die Besucher Einblick

in die Kronenregion erhalten.

Das Regenwaldhaus ist mit

seiner Architektur und Bepflanzung

sowie den dort lebenden

Fröschen ein besonderer Anziehungspunkt

des Gartens.

Die fußläufige Anbindung des

benachbarten, zweiten Steinbruchs

am Westerberg an den

Botanischen Garten wurde 2010

realisiert. Die Anbindung schafft

die Voraussetzung für die Sicherung

dieses 2,7 Hektar großen

gefährdeten und geschützten

Biotops. Programme zum Ausbau

von Fledermausquartieren, zur

Schwäbische Alb

Feldversuch

Botanischer Garten, Ausblick von der Wendeltreppe


Eingrenzung des Wachstums von invasiven, standortfremden

Pflanzen (Neophyten wie die Herkulesstaude und der

Japanische Knöterich) sowie die Errichtung eines Insekten-

Allium-Beet

hotels dienen dazu, dieses stadtnahe Biotop zu schützen.

Durch dieses erweiterte, duale Gartenkonzept, kann jetzt

sowohl globale Biodiversität, in verschiedenen Erdregionen

lebende Pflanzengesellschaften, als auch heimische, gefährdete

Artenvielfalt gezeigt und bewahrt werden.

Der gesamte Pflanzenbestand des Gartens umfasst ca.

8000 Arten und ist EDV-erfasst. Für Lehre und Forschung

werden kontinuierlich die wissenschaftlichen Pflanzensammlungen

des Gartens ausgebaut. So bieten die vorhandenen

Lebendsammlungen der Lauchgewächse (Alliaceae)

mit ca. 250 Arten und 1800 Akzessionen und der

Brassicaceen (Kreuzblütler, mit ca. 200 Arten und 500 Akzessionen)

hervorragende Möglichkeiten für die Erforschung

evolutionärer Prozesse. Am Botanischen Garten

wurde 2003 die Loki Schmidt - Genbank für Wildpflanzen,

die erste offizielle Saatgutbank für einheimische Wildpflanzenarten

initiiert. Im Juni 2009 startete das nationale

WEL Genbankprojekt (Wildpflanzen für Ernährung und

Landwirtschaft), an dem drei weitere Botanische Gärten

Öffnungszeiten Freigelände

Sommerhalbjahr Winterhalbjahr

1. April bis 30. September 1. Oktober bis 31. März

Montags – Freitags 08.00 – 20.00 Uhr

Samstags 14.00 – 20.00 Uhr

Sonn- und Feiertags 10.00 – 20.00 Uhr

Allium ramosum

aus Berlin, Regensburg und Karlsruhe sich mit dem Ziel

beteiligen, deutschlandweit in einem Netzwerk Saatgut

von bedeutenden wildlebenden Verwandten unserer Nutzpflanzen

zu beproben und damit für weitere Forschungen

und Anwendungszwecke zu erhalten.

Die Umweltbildungseinrichtung des Botanischen Gartens,

die Grüne Schule, bietet vielfältige generationsübergreifende

Veranstaltungen an, in denen botanische Inhalte

und faszinierende biologische Zusammenhänge vermittelt

werden. Studenten/innen können in einer Lehrveranstaltung

das Wissen erwerben, einen ›Gartenführerschein‹ zu

erhalten, um dann selbstständig Führungen durchzuführen.

Der Bau des ›Bohnenkamp-Hauses im Botanischen

Garten‹, eines neuen biologischen Bildungszentrums im

Botanischen Garten, wurde durch großzügige Unterstützung

der Bohnenkamp-Stiftung, sowie der Universität und

des Landes Niedersachsen möglich.

Der ›Freundeskreis Botanischer Garten der Universität

Osnabrück e.V.‹ wurde im September 1986 gegründet. Er

unterstützt den Ausbau des Gartens und seine Umweltbildungsaufgaben

maßgeblich durch sein vielfältiges ehrenamtliches

Engagement.

Montags – Freitags 08.00 – 16.00 Uhr

Samstags geschlossen

Sonn- und Feiertags 10.30 – 16.00 Uhr

Die Öffnungszeiten für das Regenwaldhaus können den aktuellen Anschlägen entnommen werden.

45

Botanischer Garten


Physiologie und Dynamik

zellulärer Mikrokompartimente

Sonderforschungsbereich 944

Ein Sonderforschungsbereich (SFB) ist der einem gemeinsamen wissenschaftlichen Thema gewidmete Forschungsverbund

mehrerer Arbeitsgruppen. Ein SFB wird in einem auf wendigen Verfahren beantragt, anschließend von einem Konsortium

aus Fach wissenschaftlern begutachtet und im Falle der Bewilligung für festgelegte Antrags perioden (4 Jahre)

mit jeweils mehreren Millionen Euro durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Daher sind Sonderforschungsbereiche wesentliche Elemente der Profilbildung von Instituten oder Fachbereichen.

Die Forschungsgelder werden vor allem für Stellen, Verbrauchsmittel und spezielle apparative Ausstattung verwendet.

Die Laufzeit eines SFB ist auf 12 Jahre begrenzt.

Die Biologie der Universität Osnabrück hat eine lange und erfolgreiche

SFB-Tradition. Seit nunmehr 27 Jahren existieren

durch gehend Sonderforschungsbereiche im Fachbereich, die

sich auf Membranproteine (SFB 193, 1983-1998) und deren

Funktion innerhalb von Zellen (SFB 431, 1999-2010) fokussiert

haben.

Im Januar 2011 begann der SFB 944 »Physiologie und Dynamik

zellulärer Mikrokompartimente« seine Arbeit. Insgesamt

13 Arbeitsgruppen untersuchen die Organisation von

Proteinen und Lipiden im zellulären Zusammenhang.

Lebende Organismen bestehen aus sehr unterschiedlichen

Zellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen. Diese speziellen

Funktionen erfordern die Untergliederung der Zellen in weitere

Reaktionsräume, die Organellen genannt werden. Dazu

zählt beispielsweise der Zellkern. Eine Vielzahl verschiedener

Proteine bildet bzw. wirkt an diesen Substukturen und organisiert

so das zelluläre Geschehen. Die Wirkmechanismen dieser

Proteine werden durch ihre unmittelbaren (Mikro-) Umgebungen

bestimmt, die ihrerseits aus anderen Proteinen und

Membranen zusammengesetzt sein können. Im weitesten

Sinne lässt sich eine Zelle mit einer hochspezialisierten Fabrik

Abb. 2 Endosomen einer Hefezelle (grün) in der Nähe der Vakuole (lila)

46

SFB944

Physiology &

Dynamics of

Cellular Microcompartments

Abb. 1 Ribonucleotid-Granulae (grün) im Zytosol einer Nervenzelle. Das

Zytoskelett ist blau eingefärbt.

vergleichen, in der an genau festgelegten Orten Produkte hergestellt

oder weiterverarbeitet werden.

Die am SFB beteiligten Gruppen versuchen aufzuklären,

wie die jeweilige Mikro umgebung eines Proteins die Funktionsweise

eines Organells und letztlich der ganzen Zelle beeinflusst.

Von besonderem Interesse für den neuen SFB 944

ist die raum/zeitliche Veränderung solcher Mikrokompartimente

und ihre Bedeutung für das (Über-)leben von Organismen.

Ziel des SFB 944 ist das Aufdecken allgemein gültiger

Prinzipien der Organisation von suborganellaren Strukturen

und ihrer Physiologie.

Eine derart komplexe Fragestellung erfordert ein

umfangreiches zellbiologisches und biophysikalisches Methodenarsenal:

Von der Identifikation neuer Komponenten über

ihre Verortung und Dynamik mittels hochauflösender Mikroskopie

bis hin zur quantitativen Analyse der Wechselwirkungen.

Die apparative Infrastruktur der Biologie wird mit Hilfe

des neuen Sonderforschungsbereiches erweitert werden, und

sie steht allen Arbeitsgruppen zur Verfügung.

Der SFB 944 zeichnet sich auch durch die fächerübergreifende

Zusammenarbeit von Arbeitsgruppen aus der Osnabrücker

Biologie, Physik und Mathematik sowie der AG Biophysik

der Universität Münster aus.


Abb. 3 Untersuchung von Mikrokompartimenten auf der Plasmamembran

menschlicher Zellen mittels 3-Farben-Höchstauflösungsmikroskopie.

Die Proteinuntereinheiten IFNAR1 (grün)

und IFNAR2 (rot) des Typ I-Interferonrezeptors sowie das

Aktin-Zytoskelett (blau) wurden in lebenden Zellen, die aus der

dauerhaften Gewebekultur eines menschlichen Gebärmutterhalstumors

stammen, mit photoschaltbaren Fluoreszenzfarbstoffen

markiert.. Anschließend können dann durch sukzessive

Photoaktivierung einzelne Fluorophore mit einer Genauigkeit

von ca. 20 nm lokalisiert werden. Aus diesen Einzelmessungen

lassen sich Bilder mit einer etwa zehnfach höheren Auflösung

erhalten als mit üblichen Fluoreszenzmikroskopie-Techniken. Im

Übersichts bild (A) sind die Konturen der Zelle erkennbar. Im

Ausschnitt (B) sind mehrere Bereiche mit charakteristischer

submikroskopischer Organisation der beteiligten Proteine noch

weiter vergrößert dargestellt. Durch die sehr hohe Auflösung

wird die Organisation einzelner IFNAR1- und IFNAR2-Moleküle

entlang zytoskelettaler Strukturen erkennbar.


Promovieren in Biologie

Doktorandenprogramme

Die Osnabrücker Biologie bietet jungen Nachwuchswissenschaftlerinnen

und Nachwuchswissenschaftlern die Möglichkeit,

im Rahmen strukturierter Programme zu promovieren.

So werden zu Beginn einer Promotion gezielte Fördermöglichkeiten,

etwa zum Erwerb von zusätzlichen Sprachkenntnissen,

vorgestellt und individuelle Empfehlungen erarbeitet.

In den verschiedenen Programmen werden spezielle Vorlesungen,

Workshops und Seminare für unsere Promovierenden

angeboten.

Graduiertenkolleg »Cell and Tissue Differen -

tiation from an integrative perspective«

Zellen sind die Grundbausteine des Lebens. Im Graduiertenkolleg

wird untersucht, welche molekularen Prozesse Differenzierungsleistungen

zugrunde liegen. Was befähigt Zellen,

Gewebe und Organe zu bilden? Forscher aus unterschiedlichen

Bereichen der Biologie, Chemie und Physik arbeiten in 7

Einzelprojekten an dieser Fragestellung und nutzen hierfür die

hochmoderne mikroskopische und molekularbiologische Ausstattung

in unseren Instituten. Die Promovierenden werden

durch eine intensive individuelle Beratung, durch begleitende

Seminare und im Rahmen von auswärtigen Workshops betreut.

Infos unter: http://www.biologie.uni-osnabrueck.de/

GraduiertenkollegUosBio/ oder beim Sprecher des Kollegs

(Prof. Dr. Achim Paululat, paululat@biologie.uni-osnabrueck.de).

48

Doktorandenprogramme

Promotionsstudiengang »Membranen und zelluläre

Kommunikation«

Im vom Land Niedersachsen mit 8 Lichtenberg-Stipendien

geförderten Promotionsstudiengang »Membranen und zelluläre

Kommunikation« erforschen Nachwuchswissenschaftlerinnen

und Nachwuchswissenschaftler mittels molekularer,

biochemischer und biophysikalischer Techniken die zell- und

entwicklungsbiologischen Eigenschaften von Zellen. Dabei

stehen Fragestellungen im Vordergrund, die der Biologie von

Membranproteinen und ihrer Beteiligung an Signalwegen und

der Wechselwirkung zwischen Zellen gewidmet sind. Am

Forschungs- und Ausbildungsprogramm nehmen 10 Arbeitsgruppen

aus der Biologie sowie jeweils eine Arbeitsgruppe aus

der Chemie und Physik teil. Wesentliche Teile des Ausbildungsprogramms

werden gemeinsam mit dem Graduiertenprogramm

des SFB955 (IRTG) koordiniert. Infos unter:

http://www.uni-osnabrueck.de/standard_en/160_11357.html oder

beim Sprecher des Kollegs (Prof. Dr. Achim Paululat,

paululat@biologie.uni-osnabrueck.de).

International PhD interchange program (IPID)

Osnabrück-Oviedo

Die biologische Forschung entwickelt sich immer mehr zu

einer Disziplin, in der internationale Zusammenarbeit essentiell

ist. Im Rahmen seines IPID-Programms fördert der Deut-


sche Akademische Austauschdienst (DAAD) seit Oktober

2010 die Internationalisierung der Doktorandenausbildung

in einem bilateralen Projekt zwischen der Universität

Osnabrück und der Universität Oviedo (Spanien).

Ziel des Programms ist die Verleihung der Promotionsurkunde

gleichzeitig von beiden Universitäten an die erfolgreichen

Absolventen. Durch das IPID werden kurze

und mittelfristige Aufenthalte der Doktoranden in Laboratorien

der Partneruniversität finanziert, aber auch

Gastvorträge von renommierten Wissenschaftlern, sowie

Sprachkurse (Spanisch für deutsche Doktorand(inn)en,

wissenschaftliches Englisch für Teilnehmer aus beiden

Partneruniversitäten) und jährliche Treffen der Projektpartner.

Von Seiten der Universität Osnabrück sind zur

Zeit fünf Arbeitsgruppen (Biochemie, Genetik, Mikrobiologie,

Neurobiologie, Zoologie) mit jeweils 1-2 Dok to -

ran d(in n)en am Programm beteiligt, was durch eine

ähnliche Zahl von Arbeitsgruppen an der Universität

Oviedo komplementiert wird. Infos unter: http:// www.

biologie.uni-osnabrueck.de/ipid/IPID_O-O/Home.html

oder beim Sprecher des Kollegs (Prof. Dr. Jürgen Heinisch,

heinisch@ biologie.uni-osnabrueck.de).

IRTG (SFB-Kolleg)

Die »Integrated Research Training Group (IRTG)« des

Sonderforschungsbereiches 944 »Physiologie und Dynamik

zellulärer Mikrokompartimente« ergänzt das Forschungsprogramm

des SFB, in dem es ein strukturiertes

Ausbildungs- und Betreuungsprogramm für Promovierende

organisiert und bereitstellt. Die IRTG ist Teil des

»Zentrums für Promovierende der Uni versität Osnabrück

(ZePrOS)« und hat das Ziel, eine interdisziplinäre und

problemorientierte Ausbildung auf Graduiertenniveau in

physikalischen, biophysikalischen, biochemischen und

zellbiologischen Techniken sowie im Bereich der mathematischen

Bildanalyse zu ermöglichen. Die Internationalisierung

wird durch ein studentisches Austauschprogramm

mit verschiedenen Partnerlabors gefördert. Infos

unter www.biologie.uni-osnabrueck.de > Forschung

oder bei den Sprechern und der Koordinatorin (Prof. Dr.

Roland Brandt, brandt@biologie.uni-osnabrueck.de,

Prof. Dr. Renate Scheibe, scheibe@biologie.uni-osnabrueck.de,

Prof. Dr. Heinz-Jürgen Steinhoff, hsteinho@uniosnabrueck.de,

Koordinatorin: Katrin Klempahn, klempahn@biologie.uni-

osnabrueck.de)

49

Doktorandenprogramme


Experimentelles Lernlabor »Explain-OS«

und NaT-Working-Projekt

Kooperation Schule – Universität

Der Fachbereich Biologie/Chemie unterstützt seit vielen Jahren Schulen bei der Gestaltung eines modernen Biologieunterrichts.

Im Rahmen von zwei Projekten, die hier kurz vorgestellt werden, gibt es verschiedene Kooperationsmöglichkeiten:

Das experimentelle Lernlabor Explain-OS bietet ein- oder mehrtägige Kurse, die den Schülerinnen und Schülern erste

Einblicke in die Arbeitsweisen in einem Forschungslabor ermöglichen. Als alternative Möglichkeit bietet das Osnabrücker

NaT-Working Projekt Experimentierkoffer, mit deren Hilfe schülergerechte Versuche direkt in der Schule durchgeführt

werden können. Durch beide Projekte ist ein ständig wachsendes Kooperationsnetzwerk mit mittlerweile mehr als 70 teilnehmenden

Schulen entstanden.

Das experimentelle Lernlabor Explain-OS

Schülerlabore erfüllen eine wichtige Funktion als außerschulische

Lernstandorte. In einer experimentellen Wissenschaft

wie der Biologie bieten Schülerlabore einzigartige Möglichkeiten,

den Regelunterricht sinnvoll um neue und teilweise

aufwendige naturwissenschaftliche Arbeitsweisen zu ergänzen.

In einem Schülerlabor können schülergerechte Experimente

angeboten werden, die aufgrund des technischen Bedarfs

in der Schule nicht durchführbar sind. Auf diese Weise

lassen sich aktuelle Themen der Biologie in den Unterricht integrieren

und Bezüge zwischen den schulischen Curricula und

der modernen Forschung herstellen. Darüber hinaus bietet

sich Schülerinnen und Schülern durch den Besuch eines universitären

Schülerlabors die Möglichkeit, eine Universität und

ihre fachspezifischen Studienangebote »vor Ort« kennen zu

lernen.

Die Osnabrücker Biologie eröffnete das experimentelle Lernlabor

»Explain-OS« im Januar 2008. Mit Mitteln der Hoch-

schule und der Universitätsgesellschaft wurde ein Forschungslabor

im Biologiehauptgebäude für die Bedürfnisse eines Schülerlabors

umgebaut und 25 Schüler-Arbeitsplätze apparativ

ausgestattet.

50

Kooperation Schule-Uni

Durch das Schülerlabor eröffnen sich neue Wege in der Ausbildung

von Lehramtsstudierenden. Viele Studierende nutzen

die Möglichkeit, im Rahmen ihrer Bachelor- und Masterabschlussarbeiten

schülergerechte Experimente zu entwickeln

und didaktisch auszuarbeiten. Häufig ergibt sich dabei die Gelegenheit,

diese Experimente direkt mit Schülerinnen und

Schülern zu erproben. Auf diese Weise werden die experimentellen

und didaktischen Fähigkeiten der Studierenden an einem

konkreten Beispiel geschult und die neu erarbeiteten didaktischen

Konzepte kommen direkt zur Anwendung. Viele der aktuell

angebotenen Kurse im Explain-OS basieren auf diesen Abschlussarbeiten

von Absolventen der letzten Jahre. Der Hauptteil

der Kurse ist so angelegt, dass sich Schülerinnen und Schüler

innerhalb einer dreistündigen Veranstaltung mit einem

Thema intensiv in Theorie und Praxis auseinandersetzen. Sie

können beispielsweise »Laktose-freie Milch« selbst herstellen,

indem sie ein Laktose-spaltendes Enzym aus einem Rohextrakt

reinigen und Milch aus dem Supermarkt damit behandeln. Ein

weiteres Beispiel ist die Plasmidisolation aus Bakterien, gefolgt

von einem Schnitt der Plasmid-DNA mit Restriktionsenzymen

und einer Trennung der DNA-Fragmente in einer Agarosegelelektrophorese.

Das am häufigsten gewählte Angebot behandelt

die Erstellung eines genetischen Fingerabdrucks mit Hilfe

der Polymerasekettenreaktion, wodurch man sehr schnell »dem


Täter auf die Spur« kommen kann. Schülerinnen und

Schüler erhalten hier die Möglichkeit, wissenschaftlichen

Erkenntnisgewinn hautnah zu erleben, zu gestalten und

Experimente zum Teil selbstständig zu planen. Aktuell

umfasst das Angebot elf verschiedene Versuche für die

Klassenstufen 10 bis 13. Eine Ausweitung des Angebotes

für jüngere Schülerinnen und Schüler ist in Planung. Bislang

haben mehr als 3000 Schülerinnen und Schüler die

Angebote des Explain-OS genutzt.

Neben den klassischen dreistündigen Veranstaltungen

bietet Explain-OS auch die Möglichkeit für mehrtägige

Kurse im Rahmen von Klassenfahrten. Interessant sind

hier vor allem die zahlreichen Kooperationen mit vielen

anderen naturwissenschaftlichen Einrichtungen in Osnabrück.

Das Schülerlabor bietet außerdem Unterstützung bei

der Erstellung von Facharbeiten oder im Rahmen von

»Jugend forscht« an. Schließlich beteiligt es sich seit

Jahren an der Osnabrücker Herbstakademie und bei der

Begabtenförderung im Rahmen der Biologie-Olympiade.

Explain-OS erhält großzügige finanzielle Unterstützung

durch die Stiftung Stahlwerk Georgsmarienhütte

und die Deutsche Bundesstiftung Umwelt. Dies ermöglicht

die im Vergleich zu anderen Schülerlaboren sehr

niedrigen Teilnahmegebühren.

Das Osnabrücker NaT-Working-Projekt »Wie

Wissenschaft Wissen schafft«

Eine zweite Möglichkeit der Kooperation zwischen der

Osnabrücker Biologie und den Schulen bietet das NaT-

Working Projekt »Wie Wissenschaft Wissen schafft«. Im

Rahmen dieses durch die Robert-Bosch-Stiftung geförderten

Vorhabens, das im März 2005 startete, wurden

in sieben Arbeitsgruppen Experimentierkoffer in Kooperation

mit einer Gruppe von Lehrerinnen und Lehrern

entwickelt und zusammengestellt. Diese Koffer, die den

Schulen kostenlos zur Verfügung gestellt werden, ermöglichen

die Durchführung einer Vielzahl von mo -

dernen Experimenten im Biologieunterricht in den

Sekundarstufen I und II. Mit dem »Genetik-Koffer« beispielsweise

lässt sich die Regulation des Laktose-Stoffwechsels

bei Bakterien durch einen einfachen Enzymtest

untersuchen. Der Zoologie-Koffer bietet Experimente zur

Anatomie und zum Lebenszyklus der kleinen Taufliege

Drosophila melanogaster. Der Cytologie-Koffer ermöglicht

die lichtmikroskopische Analyse verschiedener

Zellzyklusstadien von Pflanzen. Außerdem sind Experimente

aus den Bereichen der Gewässerökologie, der

pflanzlichen Photosynthese oder der Pflanzenphysiologie

enthalten.

In Ergänzung zu den angebotenen Experimenten

bieten Dozenten des Fachbereichs an, in den Schulen

Vorträge zu aktuellen biologischen Themen zu halten.

Ausführliche Informationen unter

www.explain-os.de

www.biologie.uni-osnabrueck.de/natworking

Didaktisch-wissenschaftliche Leitung Jun. Prof. Dr.

Susanne Menzel (menzel@biologie.uni-osnabrueck.de)

Fachbiologisch-wissenschaftliche Leitung Lernlabor &

Projektleitung NaT-Working Priv.-Doz. Dr. Knut Jahreis

(jahreis@biologie.uni-osnabrueck.de)

51

Kooperation Schule-Uni


Campbell/Reece - Biologie

Zur deutschen Ausgabe des »Campbell«

Der Campbell ist eines der am weitesten verbreiteten deutschsprachigen

Biologie-Lehrbücher. Die ebenso attraktive wie herausfordernde

Überarbeitung eines solchen Buches erfordert

die Kompetenzen möglichst vieler und unterschiedlicher naturwissenschaftlicher

Fachgebiete. Die neu vorgelegte Auflage

wäre daher ohne die Bereitschaft der Dozentinnen und Do-

© Pearson Education Deutschland GmbH, mit Genehmigung

52

Campbell

zenten der Osnabrücker Biologie zur Übernahme fachbezogener

Lektorate nicht möglich gewesen.

Gegenüber dem amerikanischen Original wurde eine Vielzahl

von Aktualisierungen vorgenommen, darüber hinaus auch

Fehler und Ungenauigkeiten terminologischer, nomenklatorischer,

inhaltlicher und anderer Art bereinigt. Ziel der Überarbeitung

war zum einen der Erhalt des amerikanischen Charakters

der Originalversion in ihrem didaktischen Aufbau, zum

anderen die gute Verwendbarkeit in der universitären und

schulischen Lehre.

Daher wurde eine Vielzahl von Beispielen durch solche aus

deutschen und europäischen Lebensräumen mit ihrer Pflanzen-

und Tierwelt sowie ihren Lebensgemeinschaften ersetzt.

Die Kapitel und Teilkapitel wurden umgestellt und so angepasst,

dass sie besser der inneren Logik von Lehrplänen im

deutschsprachigen Raum entsprechen.

Dabei stand stets die Beschränkung der Inhalte des Lehrbuches

auf wichtige Grundlagen und Aspekte im Vordergrund,

nicht eine enzyklopädische Zusammenschau biologischer

Sachverhalte. Zudem wurde das Glossar wesentlich erweitert

und ein Verzeichnis mit weiterführenden Literaturhinweisen

neu hinzugefügt.

Herausgekommen ist ein Lehrbuch, das den sprachlichen

Charme, die Verständlichkeit und Anschaulichkeit der Originalversion

in hohem Maße bewahrt. Möge der Campbell auf

viele Jahre die Standardlektüre möglichst vieler Bachelor-

Studiengänge der Biowissenschaften sein!

Anselm Kratochwil

Renate Scheibe

Helmut Wieczorek


x

53


http://www.biologie.uni-osnabrueck.de

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