Neurobiologie: Grüne Lunge für das Gehirn

Vergrößern

Nervenzellen im Gehirn verarbeiten jede Sekunde zahlreiche Signale. Die Energie für diese Aktivität stammt hauptsächlich aus aeroben Stoffwechselprozessen, deshalb ist eine ausreichende und konstante Sauerstoffversorgung des Gehirns essenziell. Während Tiere Sauerstoff aus der Umgebung aufnehmen müssen, können Photosynthese betreibende Organismen ihn selbst produzieren. Dem LMU-Neurobiologen Hans Straka und dem LMU-molekularen Pflanzenwissenschaftler Jörg Nickelsen ist es mit ihren Teams nun gelungen, sich diese Eigenschaft zunutze zu machen und Nervenzellen mithilfe photosynthetischer Mikroorganismen mit Sauerstoff zu versorgen. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Fachmagazin iScience.

Die Forschenden brachten Photosynthese betreibende Mikroorganismen – einzellige Grünalgen und Cyanobakterien – in die Blutgefäße im Gehirn eines bereits etablierten Tiermodells, Kaulquappen des Krallenfrosches Xenopus laevis. Anschließende Sauerstoffmessungen im Hirnventrikel zeigten, dass die Mikroorganismen bei Belichtung des Gewebes beträchtliche Mengen Sauerstoff produzierten. „In einem sehr sauerstoffarmen Medium kam die Nervenzellaktivität im Dunkeln vollständig zum Erliegen“, sagt Straka. „Wenn wir die Beleuchtung eingeschaltet haben, produzierten die Mikroorganismen Sauerstoff und die Nervenzellen begannen, wieder zu feuern. Der Sauerstoff, der durch die Photosynthese entsteht, wird also tatsächlich von den Nervenzellen benutzt, um die neuronale Aktivität in Gang zu bringen.“

Diese Proof-of-Principle-Experimente zeigen nach Ansicht der Wissenschaftler, dass der Einsatz photosynthetischer Mikroorganismen ein neuartiges Mittel sein könnte, um den Sauerstoffgehalt in Gewebe unter bestimmten Bedingungen kontrolliert zu erhöhen. Eine mögliche Anwendung könnte etwa die Verbesserung der Sauerstoffversorgung in Zellkulturen, explantierten Organen oder Hirnschnittpräparaten sein. „Photosynthetische Organismen produzieren außerdem nicht nur Sauerstoff, sondern beispielsweise auch Zucker. Man könnte sich auch vorstellen, diesen Stoffwechsel zu nutzen, um an Nährstoffe zu gelangen“, sagt Straka. Da Licht hinsichtlich Stärke, Dauer und Spektrum der Beleuchtung sehr genau kontrollierbar ist, könnte die neue Methode zudem neue Wege eröffnen, um die Rolle von Sauerstoff in Stoffwechselprozessen zu untersuchen.

Suzan Özugur, Myra N. Chávez, Maria del Rosario Sanchez-Gonzalez, Lars Kunz, Jörg Nickelsen and Hans Straka: Green oxygen power plants in the brain rescue neuronal activity. iScience 2021