Eier der Wespenart Europäischer Bienenwolf produzieren Stickstoffmonoxid, damit Larvennahrung in den warmen und feuchten Brutzellen nicht verschimmelt
12.06.2019
GEMEINSAME PRESSEMITTEILUNG DER UNIVERSITÄT REGENSBURG UND DER JOHANNES GUTENBERG-UNIVERSITÄT MAINZ
Nahrungsmittel, die unter warmen, feuchten Bedingungen gelagert werden, verschimmeln in kurzer Zeit und werden somit ungenießbar, ja sogar giftig. Um dies zu verhindern, benutzen wir Kühl- und Gefrierschränke sowie verschiedene Konservierungsmethoden. Tiere verfügen nicht über solche technische Hilfsmittel und müssen daher andere Wege finden, um Nahrung haltbar zu machen. Das gelingt dem Europäischen Bienenwolf, einer Wespenart, bei der die weibchen Honigbienen jagen. Eine bis fünf Bienen werden in eine Brutzelle gebracht, wo sie als Nahrung für einen jungen Bienenwolf dienen. Da die Nester bevorzugt an sonnenbeschienenen, sandigen Stellen angelegt werden und tief in den Boden reichen, ist es in den Brutzellen warm und feucht. Solche Bedingungen fördern die Entwicklung von Bienenwolflarven, begünstigen aber auch das Wachstum von Schimmelpilzen. Tatsächlich verschimmeln Bienen, die im Labor unter solchen Verhältnissen gelagert werden, innerhalb von ein bis drei Tagen. Erstaunlicherweise ist das Schimmelrisiko für Bienen in Bienenwolfnestern aber wesentlich geringer, sodass die meisten Bienenwolflarven ihre acht bis zehn Tage dauernde Entwicklung bis zum Kokonspinnen abschließen können.
Forscher der Universität Regensburg und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) fanden nun einen erstaunlichen Mechanismus, den Bienenwölfe im Laufe der Evolution entwickelt haben, um das Verschimmeln der Larvennahrung zu vermeiden. "Die Brutzellen von Bienenwölfen riechen kurz nach der Eiablage auffallend nach 'Schwimmbad'. Dieser Geruch geht vom Ei selbst aus", erklärt Prof. Dr. Erhard Strohm, Leiter und einer der Hauptautoren der Studie. Biotests ergaben, dass die Eier ein Gas abgeben, das Schimmelpilze effektiv abtötet. Die chemische Analyse brachte das überraschende Ergebnis, dass es sich bei dem Gas um Stickstoffmonoxid (NO) handelt. Dieses wird von den Eiern in großen Mengen hergestellt und nach außen abgegeben, wo es mit dem Luftsauerstoff zu Stickstoffdioxid (NO2) reagiert. Dabei übersteigen die ermittelten Konzentrationen an Stickoxiden in den Brutzellen sowohl die maximal zulässigen Arbeitsplatzkonzentrationen von Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid als auch die EU-Grenzwerte in Städten um ein Vielfaches.
Da Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid beide sehr reaktionsfreudig sind und eine stark oxidierende Wirkung haben, ist es nicht verwunderlich, dass sie in hohen Konzentrationen Schimmelpilze abtöten. Wie aber können Bienenwolfeier solche Mengen an Stickstoffmonoxid synthetisieren? Die Forscher vermuten, dass eine entscheidende Voraussetzung für die Evolution dieses Mechanismus war, dass in praktisch allen Lebewesen von Bakterien bis zu Säugern Stickstoffmonoxid eine außerordentlich wichtige Rolle für viele biochemische Prozesse spielt. In niedrigen Dosen fungiert Stickstoffmonoxid aufgrund seiner hohen Diffusions- und Reaktionsfähigkeit als Signalmolekül und ist zum Beispiel an der Einstellung des Blutdrucks sowie an Entwicklungsvorgängen beteiligt. In etwas höheren Konzentrationen wird es von vielen Tieren im Immunsystem eingesetzt, um Krankheitserreger abzutöten. Trotz der enormen Mengen an Stickstoffmonoxid, die von Bienenwolfeiern hergestellt werden, nutzen sie die gleichen Enzyme, NO-Synthasen, die auch bei anderen Organismen verwendet werden. Auch das verantwortliche NO-Synthase-Gen der Bienenwölfe weist keine Besonderheiten auf. Allerdings konnten die Forscher eine Modifikation bei der Übersetzung des Gens in das Protein entdecken, die möglicherweise entscheidend für die ungewöhnliche hohe Syntheserate von Stickstoffmonoxid in Bienenwolfeiern ist. "Durch sogenanntes alternatives Splicing fehlt dem Enzym in den Bienenwolfeiern ein Abschnitt, der möglicherweise zur Regulation dient. Dadurch könnte die Aktivität des Enzyms erheblich gesteigert werden", meint Dr. Tobias Engl, der zweite Hauptautor der Studie. Engl kam als wissenschaftlicher Mitarbeiter der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Martin Kaltenpoth vom Max-Planck-Institut für Chemische Ökologie in Jena an die Johannes Gutenberg-Universität Mainz.
Der Einsatz reaktiver Gase zur Bekämpfung von Schimmel auf den Nahrungsvorräten verbesserte das Überleben der Nachkommen der Bienenwölfe erheblich und stellt somit eine evolutionäre Schlüsselerfindung dar. Dieser neuartige Abwehrmechanismus gegen Mikroorganismen ist ein erstaunliches Beispiel dafür, wie im Laufe der Evolution bereits vorhandene Prozesse so abgeändert werden, dass vollkommen neuartige Funktionen entstehen. Die Entdeckung, dass Stickstoffmonoxid als zentrale Komponente der Verteidigung gegen Schimmelpilze wirkt, vervollständigt das Spektrum natürlicher antimikrobieller Verteidigungsstrategien und erweitert unser Wissen über dieses biologisch so wichtige Molekül um eine überraschende und faszinierende Facette.
Das Erstaunlichste an der Verteidigungsstrategie der Bienenwolfeier ist, dass diese offensichtlich in der Lage sind, die extrem toxischen Bedingungen, die sie selbst produziert haben, zu überleben. Welche Mechanismen die Eier hierfür einsetzen, ist Gegenstand aktueller Studien. Die Ergebnisse könnten nicht nur für die Grundlagenforschung interessant sein, sondern auch für die Medizin. Denn aufgrund von Krankheiten oder bei Entzündungen kann es zu einer schädlichen Überproduktion von Stickstoffmonoxid kommen. Vielleicht könnten die Mechanismen, die Bienenwolfeier einsetzen, um sich vor Stickstoffmonoxid zu schützen, dabei helfen, neue therapeutische Ansätze zu finden.