Evolution of haemocyanin and its influence on thermal sensitivity in cold adapted cephalopods

Antragsteller Dr. Felix Christopher Mark
Fachliche Zuordnung Physik, Chemie und Biologie des Meeres
Förderung Förderung von 2007 bis 2011
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 45994499
 

Projektergebnisse

Erstellungsjahr 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Dieses Projekt konnte zeigen, dass bodenbewohnende Antarktische Kraken einzigartige Anpassungen ihres blauen Sauerstofftransportmoleküls Hämocyanin aufweisen, um bei Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt zu überleben. Konkret wurde nachgewiesen, dass die Anktarktische Krake Pareledone charcoti eine unvollständig aber signifikant reduzierte Sauerstoffaffinität aufweist, die zusammen mit unerwartet hohen Hämocyaninkonzentrationen und einem hohem Gehalt an physikalisch gelöstem Sauerstoff, die Sauerstoffversorgung bei 0°C unterstützten. Im Gegensatz zu einigen hochantarktischen Fischen ist Pareledone charcoti deshalb weiterhin auf ein Sauerstofftransportprotein im Blut angewiesen. Eine hohe Temperatursensitivität der Sauerstoffbindung ermöglichte allerdings auch, dass Pareledone charcoti einen großen Teil den bei 0°C fest gebundenen Sauerstoffes bei 10°C nutzen kann. Die damit verbundene Entlastung des Blutzirkulationssystems fördert die Toleranz wärmerer Temperaturen und deutet auf die Anpassung an ein breites Temperaturspektrum (Eurythermie) von Pareledone charcoti hin. Molekulare Analysen zeigten, dass trotz eines hohen Grades an Konservierung der untersuchten Abschnitte des Blugpigmentes Hämocyanin mehrere Sequenzpositionen an der Moleküloberfläche positiver Selektion unterlagen, gekennzeichnet durch eine Verschiebung von Ladungseigenschaften. Polare Kraken zeigten dabei eine erhöhte Nettoladung der Moleküloberfläche, was darauf hinweist, dass durch elektrostatische Wechselwirkungen intrinsische pK Werte angehoben wurden, um einer De-Stabilisierung der Quartärstruktur bei erhöhtem Hämolymph-pH in kaltem Wasser entgegenzuwirken. Insgesamt konnte dieses Projekt durch die Verknüpfung funktioneller und molekularer Analysen nachweisen, dass eine unvollständige funktionelle Anpassung und eine starke Abhängigkeit von Haemocyanin bei 0°C zwar eine weitere Designlimitierung im Vergleich zu Fischen darzustellen scheint, eine „versteckte“ Sauerstoffreserve allerdings die Sauerstoffversorgung bei wärmeren Temperaturen verbessert. Dies könnte der Schlüssel sein, um in immer wärmer werdenden Gewässern zu bestehen. Die innovative Neuerung zur Messung von Bluteigenschaften mündete zudem nicht nur in einem internationalen Patent, sondern konnte auch erfolgreich an eine renommierte dänische Firma zur kommerziellen Verwertung lizensiert werden. Durch Veröffentlichungen der Ergebnisse auf internationalen Konferenzen und Fachjournalen gab es ein unerwartetes breites Medienecho, mit Interviews und Artikeln u.a. in der New York Times, National Geographic, ABC News, Der Standard, El Mundo, Die Welt, Focus, Süddeutsche Zeitung, Spektrum der Wissenschaft, Biologie in unserer Zeit u.v.m.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

DFG-Verfahren Infrastruktur-Schwerpunktprogramme
Teilprojekt zu SPP 1158:  Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten