In einem Organismus, der aus vielen differenzierten Zellen aufgebaut ist, die jeweils unterschiedliche Aufgaben erledigen, müssen Zellen miteinander kommunizieren und Stoffe austauschen. Nur so können sie ihre Aufgaben zum Nutzen des Gesamtorganismus untereinander abstimmen.
Bei Tieren geschieht dies teilweise über Proteinkomplexe, die Zell-verbindende selektive Kanäle ausbilden, sogenannte „Gap Junctions“. Dagegen sind Plasmodesmata wesentlich komplexer: „Plasmodesmata sind vermutlich die wichtigsten und am wenigsten untersuchten Organellen einer pflanzlichen Zelle mit immenser Bedeutung für alle Aspekte der Pflanze“, so Wolf B. Frommer, Alexander von Humboldt-Professor an der HHU. „Plasmodesmata kontrollieren sowohl den Austausch von Nährstoffen und Botenstoffen, als auch von genetischer Information und sogar von Proteinen.“ So verhindern sie unter anderem, dass Virusproteine oder RNA von einer zur nächsten Zelle durchgereicht werden.
Doch wie das genau geschieht, ist bisher unbekannt. „Dies liegt nicht zuletzt daran, dass Plasmodesmata auf der einen Seite zu klein selbst für moderne Mikroskopieverfahren sind, gleichzeitig zu groß und komplex für die übliche Strukturaufklärung“, betont Prof. Simon vom Institut für Entwicklungsgenetik, der die zweite HHU-Arbeitsgruppe im Projekt leitet. Sie haben einen Durchmesser zwischen 50 und 160 Nanometern, wobei ein Nanometer einem Millionstel Millimeter entspricht. Sie bestehen aus vermutlich hunderten von Proteinen und mehreren Lipidmembranen. Simon: „Damit sind diese Strukturen kleiner als die Auflösungsgrenze optischer Mikroskope. Plasmodesmata können zwar im Lichtmikroskop identifiziert, aber nicht wirklich detailliert untersucht werden“. Auch herkömmliche Elektronenmikroskope können diese hochkomplexen Strukturen nur unzureichend abbilden. Neueste Verfahren, die von Prof. Baumeister am MPIB entwickelt wurden, sollen hier jetzt den Durchbruch schaffen.
Frommer: „Nur durch Kombination unterschiedlichster und modernster Methoden wird es möglich sein, diese faszinierenden Maschinen zu verstehen.“ Dazu haben sich nun vier Arbeitsgruppen unter dem Namen SymPore („Plasmodesmata as Symplasmic Pores for Plant Cell-to-Cell Communication“) zusammengeschlossen. In dem auf sechs Jahre angelegten und mit über 10 Millionen Euro ERC-geförderten Synergy Projekt wollen sie die Struktur, den Aufbau und die Funktionsweise der Plasmodesmata entschlüsseln.
Die Arbeitsgruppe um Prof. Waltraud Schulze von der Universität Hohenheim wird die „Bauteile“ der Plasmodesmata identifizieren, dazu gehören neben Proteinen auch Lipide. An der HHU konzentrieren sich die beiden Arbeitsgruppen auf die Erstellung einer Blaupause – wo sind die Bestandteile Plasmodesmata lokalisiert und wie sind sie zusammengesetzt – und entwickeln mit Hilfe ausgeklügelter Biosensortechnologie Methoden, um die Funktion der Plasmodesmata in lebenden Pflanzen sichtbar zu machen. Prof. Baumeister und seine Mitarbeiter vom MPIB in Martinsried sind weltweit führend in der Aufklärung komplexer Strukturen mit höchster Auflösung – bis hinunter zu einzelnen Molekülen – durch Kryoelektronentomographie. Neueste Verfahren, die von ihm am MPIB entwickelt wurden, sollen hier den Durchbruch schaffen und so zu einem strukturellen Gesamtbild der Plasmodesmata verhelfen.
Das Team ist sich einig: „Nur gemeinsam kann es uns gelingen, ein Gesamtbild der Struktur und Funktion von Plasmodesmata zu erarbeiten. Diese Zusammenarbeit wird uns nun durch den Europäischen Forschungsrat mit einem Synergy Grant ermöglicht!“
ERC Synergy Grants
ERC Synergy Grants gehören zu den am höchsten dotierten Förderinstrumenten in Europa. Sie ermöglichen einem Team von Spitzenforschern, komplementäre Fähigkeiten, Ideen und Wissen und Infrastrukturen zusammenzubringen, um gemeinsam einige der spannendsten und kompetitivsten Fragen der modernen Wissenschaft zu erforschen. Synergy Grants sind hochkompetitiv, von 441 eingereichten Anträgen werden 2020 nur 34 gefördert, davon nur zwei auf dem Gebiet der Pflanzen.
