Der Großteil des Lebens auf der Erde befindet sich nach Betätigung einer „Notbremse“ im Ruhezustand

• Viele Mikroorganismen und Zellen stellen bei schlechten Umweltbedingungen ihr Wachstum ein und gehen in einen Ruhezustand über; manchen Schätzungen zufolge befinden sich zu jedem Zeitpunkt 60 % der mikrobiellen Zellen auf der Erde in einem schlafenden Zustand
• Das neue Protein Balon stoppt sofort das Ribosom, die Proteinproduktionsmaschine von Bakterien; entsprechende Gene wurden in 20 % der registrierten bakteriellen Genome gefunden
• Bisherige Dormanzfaktoren verhinderten nach Abschluss einer Proteinsynthese die nächste Synthese, doch Balon kann auch in bereits aktive Ribosomen eingreifen und die Translation wie eine Notbremse stoppen
• Balon bindet in der Nähe der A-Stelle des Ribosoms und kann schnell ein- und austreten, sodass Zellen in Stresssituationen „einschlafen“ und bei besseren Bedingungen leichter wieder aktiv werden können
• Dormanz ist nicht nur bei Bakterien, sondern im gesamten Lebenreich eine Überlebensstrategie, etwa bei Eizellen, Stammzellen, Immunzellen, Leberzellen, dem Winterschlaf von Bären und der Lysogenie von Viren

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Was Balon stoppt: Ribosomen und Energieverbrauch

• Wenn Zellen ungünstige Bedingungen wie Hunger oder Kälte wahrnehmen, produzieren sie Proteine, sogenannte Dormanzfaktoren, und senken ihren Stoffwechsel
• Dormanzfaktoren zerlegen zelluläre Maschinen oder blockieren die Genexpression; besonders wichtig ist eine Gruppe, die die Ribosomen stoppt, welche neue Proteine herstellen
• In wachsenden Bakterienzellen macht die Proteinproduktion mehr als 50 % des Energieverbrauchs aus
• Wenn Ribosomen gestoppt werden, sinkt die Synthese neuer Proteine, und Energie, die für das grundlegende Überleben nötig ist, kann eingespart werden

Entdeckung und Wirkweise von Balon

• Balon wurde in dem kälteadaptierten Bakterium Psychrobacter urativorans entdeckt, das aus arktischem Permafrost gewonnen wurde
• Während eines Experiments blieb die Kulturflüssigkeit zu lange in einem Eisbehälter, wodurch die Bakterien einen Kälteschock erlitten und in einen Ruhezustand übergingen
• Die Forschenden extrahierten Ribosomen aus den ruhenden Bakterien und untersuchten sie mit cryo-EM; dabei stellten sie fest, dass ein Protein in der A-Stelle des Ribosoms steckte
• Dieses Protein war zuvor nicht beschrieben worden und ähnelte Pelota, das am Abbau und Recycling von Ribosomenbestandteilen beteiligt ist; deshalb erhielt es den Namen Balon, ein anderes spanisches Wort für Ball
• In der in Nature veröffentlichten Studie wurde gezeigt, dass Balon anders funktioniert als bisherige ribosomale Dormanzfaktoren

Eine „Notbremse“, anders als bisherige Dormanzfaktoren

• Die bisher bekannten ribosomenstörenden Dormanzfaktoren wirken vergleichsweise passiv
  • Sie warten, bis ein Ribosom ein Protein vollständig hergestellt hat
  • Danach verhindern sie, dass das Ribosom mit der Synthese eines neuen Proteins beginnt
• Balon kann in Ribosomen innerhalb der Zelle eintreten und ihre Aktivität stoppen, auch wenn sie bereits arbeiten
• Bisherige Dormanzfaktoren blockieren die A-Stelle des Ribosoms physisch und können daher erst binden, wenn die laufende Proteinsynthese abgeschlossen ist
• Balon blockiert den Durchgang nicht vollständig, sondern bindet in der Nähe, sodass es eingesetzt und entfernt werden kann, unabhängig davon, was das Ribosom gerade tut
• Dank dieser Eigenschaft kann es das Zellwachstum stoppen und dann wie ein Kassettenband schnell wieder herausgleiten

Balon ist keine seltene Ausnahme, sondern ein weit verbreitetes Protein

• Bei der Suche nach Balon-Gensequenzen fanden sich entsprechende Sequenzen in 20 % der bakteriellen Genome, die in öffentlichen Datenbanken registriert sind
• Die Forschenden analysierten außerdem zwei alternative bakterielle Proteine darunter
  • Ein Protein des menschlichen Krankheitserregers Mycobacterium tuberculosis, der Tuberkulose verursacht
  • Ein Protein von Thermus thermophilus, das in extrem heißen hydrothermalen Tiefseequellen lebt
• Beide Proteine binden ebenfalls an die A-Stelle des Ribosoms, was darauf hindeutet, dass einige mit Balon verwandte Proteine auch in anderen Bakterienarten ähnlich funktionieren könnten
• Balon kommt in Escherichia coli und Staphylococcus aureus, die häufig in der Forschung zur Zelldormanz verwendet werden, nicht vor
• Wer sich auf eine begrenzte Zahl von Labormodellorganismen konzentriert, kann weit verbreitete Dormanzstrategien übersehen

Dormanz im gesamten Lebenreich

• Ein großer Teil des Lebens auf der Erde verfügt über die Fähigkeit, bei Bedarf den Stoffwechsel anzuhalten oder zu reduzieren, statt die Aktivität ständig weiter zu steigern
• Das Labormodellbakterium E. coli besitzt fünf verschiedene Dormanzmechanismen, von denen jeder für sich ausreicht, um Krisensituationen zu überleben
• Dormanz ist nicht nur in Hungersituationen erforderlich
  • Menschliche Eizellen verbleiben jahrzehntelang im Ruhezustand, bis sie befruchtet werden
  • Menschliche Stammzellen verharren nach ihrer Entstehung im Knochenmark in einem Stillstandszustand und warten auf Signale des Körpers
  • Fibroblasten im Nervengewebe, Lymphozyten des Immunsystems und Hepatozyten der Leber treten ebenfalls in inaktive, nicht teilende Phasen ein und werden später wieder aktiviert
• Auch hibernation bei Bären, lysogeny bei herpes virus, dauer stage bei Würmern, diapause bei Insekten, aestivation bei Amphibien und torpor bei Vögeln sind Ruhezustände, die bei besseren Bedingungen reversibel sind

Stochastische Dormanz und Überleben der Population

• Einige Zellen gehen in Dormanz, wenn sie Umweltveränderungen wahrnehmen, doch viele Bakterien nutzen auch eine stochastische Strategie
• In zufällig schwankenden Umgebungen kann eine ganze Population durch ein unvorhergesehenes Unglück verschwinden, wenn keine Zelle in Dormanz geht
• Selbst in den gesündesten und am schnellsten wachsenden E. coli-Kulturen befinden sich 5 bis 10 % der Zellen im Ruhezustand
• Diese ruhenden Zellen übernehmen die Rolle von designierten Überlebenden, die am Leben bleiben, wenn aktivere und verletzlichere Zellen Schaden nehmen
• Dormanzmechanismen wie Balon hängen damit zusammen, zu verstehen, welche Arten im Klimawandel stabil bleiben oder sich erholen können

[GN⁺]

Meinungen auf Hacker News

• Mir gefällt die Geschichte, dass Karla Helena-Bueno arktische Bakterien zu lange auf Eis liegen ließ, sie vergaß und dadurch einen gemeinsamen Winterschlaf-Faktor entdeckte.
  Darin zeigt sich genau dieses magische Muster, das Innovationen und Entdeckungen oft begleitet: ein Zufall. Das wirkt menschlich und erfrischend, und ich glaube nicht, dass Machine Learning diese Art von Entdeckung vollständig verdrängen wird.

  • Mir fällt dazu der Satz ein, dass die spannendsten Worte, die eine neue Entdeckung in der Wissenschaft ankündigen, nicht „Heureka!“ sind, sondern „Das ist komisch …“.
    Wird üblicherweise Isaac Asimov zugeschrieben.
  • Ich bin dafür, nach einem glücklichen Fund die Vergangenheit als Kompetenznarrativ zu rationalisieren und anschließend die gesamte Forschungsförderung einzustreichen.
  • KI wird Bakterien im Eis nicht vergessen, aber sie kann wie wir Muster erkennen – und das in viel größerem Maßstab.
    Sie könnte den Winterschlaf-Mechanismus auch aus einem anderen Blickwinkel finden, ganz ohne Unfall. Wenn AGI Realität wird, sagt sie vielleicht, nachdem sie genug Daten gefressen hat, auf seltsame Weise: „Das ist interessant.“ Ich mag den Roman Colossus, der vor fast 60 Jahren ziemlich realistisch beschrieben hat, wie frühe AGI sich verhalten könnte: https://en.wikipedia.org/wiki/Colossus_(novel)
  • Machine Learning wird wahrscheinlich eine wichtige Rolle dabei spielen, viel mehr solcher Entdeckungen zu ermöglichen.
    Die derzeitige Begrenzung liegt weniger im Wissen, interessante Muster zu erkennen, sondern eher in der Fähigkeit, diese Muster in großem Maßstab zu suchen.
  • Ich lese gerade „The Making of the Atomic Bomb“, und eigentlich ist es eher ein Buch über den Entdeckungsprozess in der Kernphysik.
    Und die meisten Entdeckungen geschahen zufällig.

• Das erinnert mich daran, dass auch Menschen früher Winterschlaf halten konnten (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1117993/) und (https://www.popularmechanics.com/science/a35033907/early-hum...)

  • Beim groben Überfliegen wirkt es eher wie eine Hypothese als wie eine gesicherte Tatsache.
    Sinngemäß: „Sie entschieden sich, die schlimmste Zeit des Jahres in einer relativ sicheren Höhle schlafend zu überstehen, und verzichteten dafür auf Nahrung und Vitamin D aus Sonnenlicht.“ Ob man in einem nördlichen Winter draußen oder in einer Höhle ist, macht für den Vitamin-D-Spiegel kaum einen Unterschied; die Sonne steht so niedrig, dass der Körper ohnehin kaum Vitamin D bilden kann. Inuit können zum Beispiel auch ohne Sonnenlicht Vitamin D bekommen. Dass im Winter Nährstoffe fehlten, kann auch einfach bedeuten, dass es vor entwickelten Lager- und Konservierungstechniken im Winter wenig zu essen gab.
  • Der erste BMJ-Artikel von 1900 liest sich ein wenig wie Gullivers Reisen.
    Der zweite Artikel handelt von menschlichen Vorfahren vor 400.000 Jahren, also von einer ziemlich weit zurückliegenden Zeit.
  • Bei hohem Serotonin, Kälteeinwirkung und wenig Sonnenlicht scheint Winterschlaf irgendwie möglich.
    Aber ich frage mich, wozu das gut sein sollte. Vermutlich würde es zu einer verkürzten Lebensspanne und einem erhöhten Krebsrisiko führen.

• Der Satz „Anstatt uns darüber zu beklagen, was wir im Schlaf verpassen, können wir Schlaf als einen Prozess erleben, der uns mit allem Leben auf der Erde verbindet, bis hin zu Mikroben, die tief im arktischen Permafrost schlafen“ ist interessant, aber noch beruhigender ist, dass die Mikroben tief im arktischen Permafrost schlafen.
  Ich möchte nicht darüber nachdenken, was passiert, wenn sie aufwachen.

  • Warum schlafen Menschen und andere Arten? Vielleicht einfach, weil sie es können.
    Wenn es keinen guten Grund gibt, wach zu sein, schläft man und spart Energie für eine bessere Zeit zum Wachsein. Diese Erklärung beantwortet allerdings nicht, warum wir träumen.
  • Wenn sie aufwachen, könnten sie anfangen, enorme Mengen CO2 und Methan freizusetzen.
  • Ich denke, Mikroben und Viren, die sich über unzählige Begegnungen hinweg vorsichtig an unsere heutigen Antibiotika und verschiedene Stoffe angepasst haben, könnten ein ähnliches oder sogar größeres Risiko darstellen.

• Was ewig liegen kann, ist nicht tot, und in fremdartigen Äonen kann selbst der Tod sterben.

• Wow, das wirkt wie ein von der Natur geschaffener Mechanismus für Lazy Evaluation.

• Über therapeutische Möglichkeiten spricht offenbar kaum jemand.
  Es wäre gut, wenn man bakterielle Infektionen in einen Ruhezustand versetzen könnte. Dasselbe gilt für Tumore.

  • Bei Tumoren könnte das schwierig sein. Soweit ich weiß, sind Krebszellen per Definition Zellen, die nicht normal funktionieren.

• Ich stelle mir vor, wie alte Menschen ihre Körper einfrieren und einen Ruhezustand auslösen lassen, um aufzuwachen, wenn die Welt besser geworden ist.
  In so ein Unternehmen würde ich investieren.

  • Der wirklich schwierige Teil ist, jemand zu sein, den zukünftige Generationen überhaupt auftauen wollen.
  • Tatsächlich läuft das schon seit über 50 Jahren[0].
    0. https://en.wikipedia.org/wiki/Alcor_Life_Extension_Foundatio...
  • Wenn zu viele, noch gar nicht so alte Menschen es nutzen, könnte das Ergebnis nicht besonders gut sein: https://xkcd.com/989/
  • Noch klingt es nach Science-Fiction, aber es scheint sich allmählich anzunähern.
    Vor ein paar Tagen gab es auch das hier: https://news.ycombinator.com/item?id=40400591
  • Was, wenn man aufwacht und die Welt schlechter geworden ist?
    Man geht eine ziemlich große Wette darauf ein, ob Menschen in ferner Zukunft den konservierten Körper als wertvolle Ressource ansehen oder als etwas, das man ausbeuten kann.

• Ich frage mich, ob Leben auf dem Mars, falls es welches gab, einen solchen Ruhezustands-Mechanismus genutzt hätte.

• Man sollte der Öffentlichkeit nicht erzählen, dass es in komplexen Systemen völlig natürlich ist, wenn viele Einheiten Reservekapazität haben und nichts tun, und dass sie nicht auf Kosten der Gesellschaft leben, sondern wesentlich dazu beitragen, das Gesamtsystem am Leben zu halten.

  • Können die Menschen in dieser Analogie ihren Ressourcenverbrauch auf Hungerniveau auch auf unbestimmte Zeit halbieren?
    Tun sie das als stochastische Versicherung gegen ein Aussterbeereignis auf Populationsebene, und haben sie danach auch die Fähigkeit zur Erholung? Diese aus dem tatsächlichen Inhalt des Artikels gezogene Erweiterung ist wirklich miserabel.