Verwenden Algen Arsen, um Membranlipide zu bilden?

Arsen, einem berüchtigten Gift, wurden auch positive Eigenschaften zugeschrieben, wenn es in kleinen Dosen verabreicht wurde. Dies führte zur Vermutung, dass Arsen im Spurenbereich nützlich oder sogar essentiell für Organismen sein könnte. Die Ergebnisse zweier aktueller unabhängiger Studien haben uns dazu veranlasst, diese Hypothese zu untersuchen. Die erste Studie, die vom Woods Hole Ozeanographischen Institut durchgeführt wurde, zeigte, dass in Meeren mit niedrigem Phosphatgehalt Algen Stickstoff und Schwefel statt Phosphor zur Biosynthese von Membranlipiden verwenden, um auf diese Weise Phosphor für essentielle Prozesse zu bewahren. Die zweite Untersuchung, die von unserer Forschungsgruppe in Graz durchgeführt wurde, identifizierte neuartige arsenhaltige Lipide ("Arsenlipide") in Proben marinen Ursprungs. Auf der Basis dieser Erkenntnisse wird im Zuge des Projektes die Hypothese untersucht werden, dass Algen in phosphatarmen Wässern Arsen, welches in allen Meeren als Arsenat vorkommt, statt Phosphor für die Biosynthese von Arsen-Membranlipiden verwenden. Die Untersuchungen werden in Kollaboration mit dem Woods Hole Ozeanographischen Institut und einer Australischen Forschungsgruppe durchgeführt werden. Die Australische Forschungsgruppe wird ergänzende Laboruntersuchungen mit keimfreien Algenkulturen, die unterschiedlichen Phosphat- und Arsenkonzentrationen ausgesetzt werden, durchführen. Wenn die postulierte Hypothese korrekt ist, wird diese Studie den ersten Hinweis erbringen, dass Arsen unter normalen Umweltbedingungen eine wertvolle Rolle in biologischen Prozessen spielen kann, und damit völlig neue Aspekte in der biochemischen Beurteilung von Arsenverbindungen eröffnen.

Das Projekt untersuchte die biologische Signifikanz von Arsenlipiden, vor allem in Verbindung mit Phosphat und Phospholipiden, und deren Rolle in der Membranchemie von Meeresalgen. Sowohl unsere Feldstudien als auch unsere Laborexperimente mit einzelligen Algen unter variierenden Phosphat- und Arsenat-Konzentrationen im Meerwasser haben eine faszinierende Verbindung zwischen den Phosphat-und Arsenat-Konzentrationen und den Typen von dabei Bio-synthetisierten Arsenlipiden aufgezeigt. Zusätzlich hat unsere Forschung gezeigt, dass Algen völlig neuartige Arsenlipide synthetisieren. Diese Entdeckung wurde durch massenspektrometrische Untersuchungen, chemische Derivatisierungen und Vergleiche mit synthetisierten Modellverbindungen erreicht. Im Rahmen dieses Projektes wurden 20 neue Arsenlipide identifiziert, von welchen die meisten zu zwei völlig neuartigen Klassen von Arsenlipiden gehören. Die zuletzt identifizierten Arsenlipid-Gruppen umfassen Arsen-haltige Phosphatidylcholine und Phosphatidylethanolamine. Diese Verbindungen sind integraler Bestandteil von biologischen Membranen. Die letztgenannten Verbindungen wurden in Fischroggen gefunden, welche aufgrund ihres hohen Membran-Anteils gewählt wurden. Die Entdeckungen dieser Verbindungen unterstützen die Hypothese, dass Arsenlipide eine Rolle in der Membranchemie spielen. Neben diesen Verbindungen wurden im Rahmen des Projektes in Algen auch Arsenlipide identifiziert, welche an sogenannte Arsenzucker gebunden sind. Somit konnte ein Zusammenhang zwischen den bisher in Algen identifizierten Arsenzuckern und den Lipiden hergestellt werden. Die Arsenzucker werden allgemein als Schlüsselverbindungen bei der Umwandlung von toxischem anorganischem Arsenat in weniger giftige Organo-Arsenverbindungen angesehen, welche hauptsächlich in Meeresorganismen gefunden werden. Wir haben außerdem eine analytische Methode entwickelt, um einige dieser Arsenlipide in einem Standardreferenzmaterial zu quantifizieren. Diese Untersuchungen haben aufgrund von Gesundheitsaspekten, die in Verbindung mit dem Verzehr von Nahrung marinen Ursprungs stehen, vermehrt Bedeutung erhalten. Ein weiteres Highlight des Projektes war die Entwicklung einer hochempfindlichen analytischen Methode, um Organoarsen-Verbindungen in Meerwasser zu bestimmen. Zukünftige Anwendungen dieser Methode werden die Untersuchung der Rolle von Arsenlipiden in der marinen Umwelt ermöglichen.