Für das Überleben früher Eukaryoten (Lebewesen mit Zellkern) nach dem Anstieg des atmosphärischen Sauerstoffs vor mehr als zwei Milliarden Jahren galt bislang die Aufnahme eines Bakteriums in eine Wirtszelle als Schlüsselereignis. Eine in Nature publizierte Studie unter Beteiligung der Universität Wien und unter Leitung der University of Texas in Austin liefert nun Hinweise, dass die Fähigkeit zur Nutzung von Sauerstoff bereits vor dieser so genannten Endosymbiose angelegt gewesen sein könnte und der archaeale Wirt bioenergetisch besser ausgestattet gewesen sein dürfte als bisher angenommen.
Nach gängiger Lehrmeinung entstand die Fähigkeit zur effizienten Sauerstoffnutzung und damit der Schritt zu komplexem Leben auf der Erde erst nach einem dramatischen Anstieg des Sauerstoffgehalts: Ein früher Einzeller aus der Gruppe der Asgard-Archeen nahm endosymbiontisch ein Bakterium auf, aus dem sich später ein energieproduzierendes Zellkompartiment (Mitochondrium) entwickelte. Wie beide Organismen zusammenfinden konnten, obwohl die Wirtszelle in sauerstoffarmer Umgebung lebte und der bakterielle Partner als aerob (sauerstoffnutzend) galt, blieb bis dato allerdings ungeklärt.
Über die Studie
Unter Mitarbeit von Valerie De Anda vom Department für Funktionelle und Evolutionäre Ökologie an der Universität Wien, Co-Autorin der Studie, rekonstruierte das Forschungsteam den Stoffwechsel früher Vertreter der sogenannten Asgard-Archaeen – jener Mikroorganismengruppe, die als nächste bekannte archaeale Verwandte der Eukaryotenlinie gilt. Grundlage waren umfangreiche metagenomische Datensätze aus marinen Sedimenten mit über 13.000 rekonstruierten mikrobiellen Genomen, darunter rund 400 Asgard-Genome. Zur systematischen Auswertung nutzten die Forschenden den von Valerie De Anda entwickelten Analyseansatz MEBS, mit dem sich aus Genomdaten die biochemischen Fähigkeiten von Mikroorganismen ableiten lassen. Ergänzend wurden Strukturvohersagen von Proteinen verglichen, um ihre Funktion zu überprüfen.
Sauerstoffnutzung vor der Endosymbiose
Es zeigte sich, dass diejenigen Asgard-Archeen, die den Eukaryoten am nächsten verwandt sind, in durchaus sauerstoffhaltigen Lebensräumen vorkommen – etwa in flachen Küstensedimenten oder frei im Wasserkörper – und zahlreiche Stoffwechselwege besitzen, die Sauerstoff nutzen. Das deutet darauf hin, dass der gemeinsame Vorfahre von Asgard-Archaeen und Eukaryoten wahrscheinlich über ähnliche Prozesse verfügte. Vertreter der Linie Heimdallarchaeia tragen Gene für zentrale Merkmale eines aeroben Lebensstils, darunter Komponenten der Atmungskette (z. B. Komplex IV), Häm-Biosynthese sowie Mechanismen zur Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies. "Die genetischen Signaturen und rekonstruierten Stoffwechselprofile zeigen, dass der archaeale Vorfahre der komplexen Zellen bereits die Voraussetzungen für einen sauerstoffbasierten Energiestoffwechsel besaß", sagt Valerie De Anda von der Universität Wien. Damit verschiebt sich der Zeitpunkt, zu dem ein energieeffizienter Stoffwechsel entstand, wahrscheinlich deutlich früher in der Evolution – noch vor der späteren Verschmelzung mit einem bakteriellen Partner.
Neue Perspektive auf die Entstehung der Eukaryoten
Die Ergebnisse sprechen dafür, dass dieser Evolutionsschritt weniger als abrupter energetischer Sprung zu verstehen ist, sondern als Übergang zwischen Organismen mit bereits ähnlichen Stoffwechselweisen. Die molekularen Daten passen zu geologischen Befunden zum Anstieg des atmosphärischen Sauerstoffs. Früh angepasste Mikroorganismen könnten diese Umweltveränderung genutzt haben – und damit zur späteren Diversifizierung komplexer Lebensformen beigetragen haben.
Zusammenfassung
- Nach bisherigem Modell entstand die effiziente Sauerstoffnutzung eukaryotischer Zellen erst im Zusammenhang mit der Aufnahme des späteren Mitochondriums.
- Eine Analyse von über 13.000 mikrobiellen Genomen zeigt Gene für aeroben Energiestoffwechsel bereits im archaealen Wirt.
- Die Fähigkeit zur Nutzung von Sauerstoff könnte somit bereits vor der Endosymbiose vorhanden gewesen sein.
- Die bioenergetischen Voraussetzungen für die Entstehung von Eukaryoten entstanden vermutlich früher in der Evolution als bislang angenommen.
Originalpublikation:
Appler, K. E. et al.Oxygen metabolism in descendants of the archaeal–eukaryotic ancestor.Nature (2026).
DOI: 10.1038/s41586-026-10128-z
Forschungsverbund Umwelt und Klima an der Universität Wien:
Valerie De Anda ist Mitglied des interdisziplinären Forschungsverbunds Umwelt und Klima der Universität Wien. Dieser bringt Forschende verschiedenster Disziplinen zusammen, um exzellente wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen, die Lösungen für drängende Probleme wie Klimawandel, Biodiversitätsverlust und Umweltverschmutzung bieten können.
Über die Universität Wien:
Die Universität Wien setzt seit über 650 Jahren Maßstäbe in Bildung, Forschung und Innovation. Heute ist sie unter den Top 100 und damit den Top 4 Prozent aller Universitäten weltweit gerankt sowie in aller Welt vernetzt. Mit über 180 Studien und mehr als 10.000 Mitarbeitenden ist sie einer der größten Wissenschaftsstandorte Europas. Hier treffen Menschen aus unterschiedlichsten Disziplinen zusammen, um Spitzenforschung zu betreiben und Lösungen für aktuelle und künftige Herausforderungen zu finden. Ihre Studierenden und Absolvent*innen gehen mit Innovationsgeist und Neugierde komplexe Herausforderungen mit reflektierten und nachhaltigen Lösungen an.
