Intrazelluläre Kalzium-Kompartimentierung in den Mineral bildenden Organismen Porcellio scaber (Crustacea), Magellania venosa (Brachiopoda) und Emiliania huxleyi (Haptophyta).

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Andreas Ziegler, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Physiologie der Tiere ; Paläontologie ; Strukturbiologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389085271

Die Bildung biogener Carbonate ist einer der wichtigsten Prozesse in der Biosphäre. Sie führte zur Bildung großer Kalkstein Ablagerung und stellt deshalb eine wichtige Senke für CO2 aus der Atmosphäre dar. Die zellulären Mechanismen der Schalenbildung erfordern einen intrazellulären Transport von Calcium zum Mineralisationsort, entweder in Form von Ionen oder in Form einer amorphen Mineral-Vorläuferphase die in den Zellen gebildet wird. In beiden Fällen erfolgt der Transport in Zellorganellen, um einen toxischen Anstieg der Calcium-Ionen Konzentration im Zytosol zu vermeiden. Unsere Kenntnisse über die intrazelluläre Calcium-Kompartimentierung bei der Biomineralisation sind jedoch bruchstückhaft. Sowohl intrazelluläre Vesikel als auch das endoplasmatische Retikulum kommen für den Calciumtransport in Frage. Außerdem gibt es Hinweise, dass der Transportweg, abhängig vom mineralisierenden Gewebe, variieren kann. Deshalb ist geplant, die subzelluläre Calciumverteilung bei der Biomineralisation zu untersuchen, mit dem Ziel, die Organell-Typen zu bestimmen, die am transzellulären Calciumtransport beteiligt sind. Um mögliche Unterschiede zwischen Organismen und Geweben zu berücksichtigen, sollen fünf verschiedene Zellsysteme untersucht werden. Drei davon aus dem terrestrischen Krustazeen Porcellio scaber: 1) Das anteriore sternale Epithel, bei dem während der Bildung und Resorption von großen CaCO3 Reservoiren besonders hohe Transportraten auftreten, 2) die Hypodermis der partes incisiva der Mandibeln als ein Beispiel für Calciumphosphat-Bildung und 3) das Epithel des Hepatopancreas, das nach der Aufnahme der Exuvie in den Darm, Mineral von der Exuvie in die Hämolymphe transportiert. Dabei ist von besonderem Interesse, dass lysosomale Vesikel Schwermetalle akkumulieren und möglicherweise auch am Calciumtransport beteiligt sind. Außerdem ist geplant 4) das Mantelepithel des Brachiopoden Magellania venosa zu untersuchen und 5) die marine coccolithophoride Alge Emiliania huxleyi. Brachiopoden existieren bereits seit dem frühen Cambrium und sind weltweit verbreitet. Deren fossile Schalen stellen ein immenses Archiv für Isotopensignaturen dar, die für die Rekonstruktion paleoklimatischer Faktoren wichtig sind, jedoch von zellulären Mechanismen beeinflusst werden können. E. huxleyi ist für ein Drittel der marinen CaCO3 Produktion verantwortlich und ist ein Beispiel für Calcit-Bildung in einem intrazellulären Organell.Bei der Präparation sollen die Hochdruck-Kryofixierung und Kryo-Ultramikrotomie eingesetzt werden. Strukturelle Aspekte und die Calciumverteilung soll mit Hilfe Kryo-Raster-Elektronenmikroskopie, der Elektronenstrahl- Röntgen-Mikroanalyse und Energie-filternden Transmission-Elektronenmikroskopie analysiert werden. Das Ziel der Untersuchungen ist es, neue Erkenntnisse über die Mechanismen des zellulären Calciumtransports in der Biomineralisation zu erlangen, sowie über deren funktionelle Diversifizierung und Konservierung während der Evolution.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen