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Christoph Kleineidam – Kommunikation ohne Worte

Jede Ameise reagiert auf soziale Düfte (Pheromone) unterschiedlich. Diese interindividuelle Variabilität in der Verhaltensreaktion führt zur emergenten Ausbildung der Arbeitsteilung innerhalb der Kolonie. Der Neuroethologe Dr. Christoph Kleineidam an der Uni Konstanz ist gerade dabei, die neuronale Grundlage, die zur interindividuellen Varianz führt, zu untersuchen. Das Hauptaugenmerk seiner Forschung richtet sich auf die Ameisen und ihr hochempfindliches sensorisches System, das ihnen erlaubt, über Pheromone zu kommunizieren. Bei der technischen Umsetzung dieser sensorischen Mechanismen sieht er in der Thermosensorik und Chemosensorik erste Anwendungsmöglichkeiten.

Dr. Christoph Kleineidam von der Uni Konstanz beschäftigt sich mit dem senorischen System der Ameisen © Kleineidam

Pheromone sind organische Moleküle, die der biochemischen Kommunikation zwischen Lebewesen einer Spezies dienen. Soziale Insekten, die in Kolonien mit einer oder mehreren Königinnen leben, zum Beispiel Ameisen und viele Bienen- und Wespenarten, besitzen hoch spezifische Rezeptoren, mit denen sie geringste Mengen eines Pheromons wahrnehmen können, da die Empfindlichkeit ihres sensorischen Systems extrem hoch ist.

Die Faszination dieser außergewöhnlichen sensorischen Funktionen war auch der Anlass für Dr. Christoph Kleineidam von der Universität Konstanz, Neuroethologe zu werden. „Während meiner Studienzeit untersuchte ich die sensorischen Fähigkeiten von Ameisen. Dabei entdeckte ich in den Fühlern Rezeptorzellen mit der ungewöhnlichen Eigenschaft, die absolute Konzentration an Kohlendioxid in der Luft messen zu können“, erzählt der Biologe. Ab diesem Zeitpunkt wollte er herausfinden, wozu die Tiere diese sensorische Fähigkeit nutzen. Bei seiner aktuellen Forschung, die sich mit verschiedenen Temperaturrezeptoren von Ameisen und ihrer Funktion bei der Orientierung in der thermischen Umwelt beschäftigt, fand er sehr schnell reagierende und extrem sensitive Rezeptorneurone. „Die Sinnesphysiologie eröffnet uns auch heute noch die Möglichkeit, die uns ansonsten verborgene Welt der Insekten zu erkunden“, erklärt Dr. Kleineidam die Hintergründe seiner Arbeit.

Selbst gezüchteter Pilz als Nahrungsquelle

Blattschneiderameisen, die in den Neotropen von Texas bis Argentinien vorkommen, sind eine Gruppe von Ameisenarten mit einer sehr hoch entwickelten Sozialstruktur, weswegen sie für Dr. Christoph Kleineidams Forschung von besonderem Interesse sind. „Im Gegensatz zu den heimischen Ameisenarten, wie etwa der Roten Waldameise, die ein Allesfresser ist, ernähren sich die Blattschneiderameisen von Pilzen, die sie selbst züchten“, erzählt der Neuroethologe. Sie sammeln Blatt- und Pflanzenteile und zerkauen diese, um mit dem Substrat einen Nährboden für den symbiotischen Pilz zu schaffen. Im Laufe der Evolution sind Arbeiterinnen mit unterschiedlichen morphologischen Anpassungen entstanden, die unterschiedliche Aufgaben wahrnehmen. „Es kam zu einer Spezialisierung, die auch unterschiedliche Ausprägungen des Gehirns mit sich brachte. Solche neuroanatomischen Unterschiede insbesondere im olfaktorischen System nutze ich in meinen Untersuchungen, um die funktionelle Bedeutung dieser neuronalen Organisationsformen zu entschlüsseln“, so Christoph Kleineidam. Eine Besonderheit der Blattschneiderameisen ist ihr unterschiedlich ausgeprägtes olfaktorisches System, trotz der nahen Verwandtschaft der Arbeiterinnen, die ca. 75 Prozent der Gene teilen. „Es gibt drei Phänotypen, die sich in der Organisation des ersten olfaktorischen Neuropils deutlich unterscheiden, das heißt, dass diese Tiere durch neuroanatomische Differenzen den gleichen Duft, etwa ein Pheromon zur Orientierung auf Duftspuren, unterschiedlich wahrnehmen“, beschreibt Dr. Kleineidam dieses Phänomen.

Der Kopf einer Ameise: Das Gehirn (rot), die Augen mit Sehnerven (gelb) und die Mandibeldrüsen (pink) wurden, ohne die Kopfkapsel zu öffnen, mit einer neu entwickelten Technik in 3D rekonstruiert. © M. Smolla

Geruchsrezeptorgene für die Kommunikation unerlässlich

Das Identifizieren von Geruchsrezeptorgenen macht einen großen Teil von Christoph Kleineidams Arbeit aus. Dabei gewinnen er und sein Team zunächst in einer Transkriptomanalyse die RNA aus Antennen von Ameisen, sowohl von Arbeiterinnen als auch von Geschlechtstieren. Danach wird die cDNA synthetisiert, die dann zur Sequenzierung verwendet wird. Im anschließenden physiologischen Experiment werden die hoch spezifischen Pheromonrezeptoren identifiziert. Verhaltensexperimente demonstrieren, wie außerordentlich empfindlich die Wahrnehmung der Ameisen für einzelne Pheromone ist: „Wir konnten beispielsweise zeigen, dass ein Milligramm des Spurpheromons ausreichen würde, um eine effektive Pheromonspur 60-mal um die Erde zu legen. Eine solch hohe Sensitivität ist nur erreichbar, wenn die Rezeptorgene für Proteine mit hoher Spezifität für ihren Liganden kodieren“, beschreibt Christoph Kleineidam den Prozess. Nur wenn diese Kodierung gegeben ist, kann durch Signalverstärkung und Adaptation das Sinnessystem in einem weiten Konzentrationsbereich arbeiten.

Anwendung sensorischer Mechanismen aus der Insektenwelt

Nach langjähriger Forschung auf dem Gebiet der sensorischen Systeme sozialer Insekten ist für Dr. Christoph Kleineidam der nächste Schritt die Kooperation mit der Industrie, wovon er sich eine technische Umsetzung seiner Erkenntnisse erhofft. „Sowohl in der Thermosensorik als auch in der Chemosensorik werden in absehbarer Zukunft technische Anwendungen möglich sein“, blickt Dr. Kleineidam in die Zukunft. Zurzeit arbeitet er an der Identifizierung der Rezeptoren, um dann im Anschluss weitere Anpassungen der zellulären Maschinerie zu untersuchen, die möglicherweise mit für die hohe Sensitivität verantwortlich sind. „Längerfristig könnte ich mir einen Einsatz in miniaturisierten Biosensoren vorstellen. Konkrete Pläne dazu gibt es von meiner Seite aus jedoch noch nicht“, erzählt der Neuroethologe.

Im Moment hat Christoph Kleineidam eine Vertretungsprofessur an der Universität Konstanz inne. Er profitiert hierbei stark von der Zusammenarbeit mit der dortigen Arbeitsgruppe Neurobiologie von Professor Galizia, der eine einmalige Infrastruktur zur Messung neuronaler Aktivität bei Insekten aufgebaut hat. „Meine Expertise auf dem Gebiet der Verhaltensphysiologie und Soziobiologie sozialer Insekten, zusammen mit meinem starken Interesse an der neuronalen Verarbeitung von Duftinformation bei Insekten, ist eine exzellente Komplementierung der Arbeitsgruppe“, beschreibt Dr. Kleineidam die positiven Synergien, die ihm bei seiner Forschung von großem Nutzen sind.

Glossar

  • Biosensoren sind biologische Detektionssysteme zum Aufspüren kleinster Substanzmengen.
  • cDNA ist die Abkürzung für Complementary/copy DNA. Diese DNA wird mit Hilfe eines viralen Enzyms (Reverse Transkriptase) nach Vorlage einer mRNA synthetisiert und ist zur ursprünglichen mRNA komplementär.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Liganden sind häufig relativ kleine Moleküle, die genau in die Bindungstasche von Rezeptoren passen. So wie nur ein ganz bestimmter Schlüssel in ein Schloss passt, können nur genau definierte Liganden mit ihren jeweiligen Rezeptoren in Wechselwirkung treten.
  • Der Phänotyp beinhaltet alle sichtbaren Eigenschaften eines Organismus. Er wird vom Genotyp (der genetischen Ausstattung) und der Umwelt bestimmt.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Rezeptoren sind Moleküle, die u. a. auf Zelloberflächen anzutreffen sind und die in der Lage sind, ein genau definiertes Molekül – ihren Liganden – zu binden. Das Zusammentreffen von Ligand und Rezeptor kann eine Abfolge von Reaktionen innerhalb der Zelle auslösen.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • Neuron ist der Fachausdruck für Nervenzelle. Diese besteht aus einem Zellkörper, einem Axon und Dendriten.
  • Chemotherapie ist eine Behandlung von Krankheiten, insbesondere Krebs, unter Einsatz von Chemotherapeutika (Medikamente zur Wachstumshemmung von (Krebs)-Zellen).
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Symbiose im biologischen Kontext ist das Zusammenleben von zwei oder mehr verschiedenen Arten, das für alle vorteilhaft ist.
  • Die Morphologie ist die Lehre von der Struktur und Form der Organismen.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Die Neurobiologie beschäftigt sich hauptsächlich mit den molekularen und zellbiologischen Strukturen und Funktionen des Nervensystems.
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