Manchmal reicht ein winziger Funke, um die Evolution in Gang zu setzen. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Juan Carlos De la Concepcion, Nicholas Irwin und Yasin Dagdas am GMI – Gregor-Mendel-Institut für Molekulare Pflanzenbiologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) hat entdeckt, wie minimale elektrostatische Veränderungen ein uraltes Protein in Pflanzen so beeinflussen, dass es sich von seinem ursprünglichen Komplex lösen und völlig neue Funktionen annehmen kann.

Ein uraltes Protein und ein großes Rätsel

Zellen funktionieren wie fein abgestimmte Maschinen: Zahllose Proteine greifen dabei ineinander. Viele davon sind in festen Komplexen organisiert – wie Zahnräder in einem Uhrwerk. Diese Untereinheiten gelten normalerweise als evolutionär stark eingeschränkt, weil eine Veränderung an einem Teil das ganze System stören könnte.

Umso erstaunlicher ist der Fall des Proteins Exo70. Es ist Teil des sogenannten Exocyst-Komplexes, der in allen Eukaryoten – also auch in Tieren, Pilzen und Menschen – vorkommt und in der Zelle für sekretorische Prozesse, also den Transport und die Abgabe von Stoffen, verantwortlich ist. Trotz dieser festen Einbindung in eine Untereinheit hat sich Exo70 im Lauf der Pflanzenentwicklung stark vervielfältigt und spezialisiert. In der Arabidopsis thaliana (auch Ackerschmalwand), die in der Pflanzenforschung als Modellpflanze dient, existieren beispielsweise über 20 Varianten dieses Proteins. Wie diese Vielfalt entstehen konnte, war bislang ein Rätsel.

Befreiung durch Elektrostatik

Das Team zeigt nun, dass der Schlüssel in winzigen elektrostatischen Veränderungen liegt. Feine Veränderungen in der Oberflächen-Elektrostatik von Exo70 führten dazu, dass eine Variante des Proteins ihre enge Bindung an den ursprünglichen Exocyst-Komplex verlor. Diese „Befreiung“ eröffnete neue Möglichkeiten: Das Protein konnte an anderen Orten in der Zelle aktiv werden, neue Partnerproteine finden und völlig neue Aufgaben übernehmen.

Mithilfe von Strukturmodellen, biochemischen Analysen und Experimenten an Arabidopsis thaliana und der Lebermoos-Art Marchantia polymorpha konnten die Forschenden diesen Mechanismus präzise nachweisen. Sie bezeichnen ihn als „protein complex escape“ – die „Flucht“ eines Proteins aus seinem ursprünglichen Verbund durch minimale elektrostatische Veränderungen.

Universeller Motor der Evolution?

Diese „Komplexflucht“ könnte auch ein allgemeiner Weg sein, wie Zellen neue Funktionen entwickeln: kleine physikalische Effekte, die große evolutionäre Veränderungen anstoßen – ganz ohne tiefgreifende genetische Mutationen.

Da mehrteilige Komplexe wie der Exocyst bei Organismen im gesamten Stammbaum des Lebens weit verbreitet und konserviert sind, gehen die Forschenden davon aus, dass eine ähnliche „Komplexflucht“ im Verlauf der Evolution mehrfach aufgetreten sein könnte.

Die elektrostatische Entkopplung könnte im Laufe der Evolution daher eine wichtige Rolle bei Innovationen gespielt haben, die dazu führten, dass aus einem gemeinsamen Ursprung die enorme Vielfalt heutiger Organismen entstanden ist.