CaMPARI – Wie Pflanzen und Nervenzellen Schwerelosigkeit wahrnehmen
Leben auf der Erde hat sich über Milliarden Jahre unter dem ständigen Einfluss der Schwerkraft entwickelt. Doch was geschieht, wenn dieser grundlegende Umweltreiz plötzlich entfällt? Diese Frage gewinnt mit den zukünftigen Missionen zum Mond und zum Mars zunehmend an Bedeutung. Pflanzen sollen dort Nahrung, Sauerstoff und sauberes Wasser bereitstellen, während ein gesundes Nervensystem entscheidend für die Gesundheit und das Wohlbefinden von Astronautinnen und Astronauten auf langen Missionen ist. Wie einzelne Zellen Veränderungen der Schwerkraft erkennen und darauf reagieren, ist jedoch bis heute nur unzureichend verstanden.
Im Zentrum unseres Experiments steht Kalzium – einer der wichtigsten Botenstoffe lebender Zellen. Ob Pflanzen ihre Umwelt wahrnehmen oder Nervenzellen Informationen verarbeiten: Häufig bildet ein kurzer Anstieg der Kalziumkonzentration den Auftakt komplexer biologischer Reaktionen. Wir vermuten, dass Mikrogravitation diese Kalziumsignale verändert und dadurch bislang unbekannte Mechanismen der zellulären Anpassung sichtbar macht.
Um dies zu untersuchen, setzen wir die Modellpflanze Arabidopsis thaliana und aus menschlichen Stammzellen erzeugte iNGN-Nervenzellen während eines Parabelflugs wiederholt Hypergravitation und Schwerelosigkeit aus. Die schnellen Wechsel zwischen den beiden Bedingungen ermöglichen es, die unmittelbare Reaktion lebender Zellen auf eine veränderte Schwerkraft zu erfassen.
Dies wird durch die optogenetische CaMPARI-Technologie ermöglicht. Dieser genetisch codierte Kalziumsensor speichert die Aktivität einer Zelle während eines kurzen, durch Licht ausgelösten Zeitfensters dauerhaft als Farbwechsel. Die Kalziumsignale müssen daher nicht während des Flugs gemessen werden, sondern können anschließend mithilfe automatisierter Fluoreszenzmikroskopie in Tausenden einzelner Zellen oder Hunderten Pflanzen gleichzeitig ausgewertet werden. Damit eröffnet CaMPARI erstmals die Möglichkeit, zelluläre Reaktionen auf Schwerelosigkeit in großem Maßstab und mit hoher statistischer Aussagekraft zu untersuchen.
Die gewonnenen Erkenntnisse liefern neue Einblicke in die Anpassung von Pflanzen und menschlichen Nervenzellen an veränderte Schwerkraft und tragen dazu bei, biologische Lebenserhaltungssysteme sowie Strategien zum Schutz der menschlichen Gesundheit im All weiterzuentwickeln.
Gleichzeitig demonstriert das Experiment das Potenzial der CaMPARI-Plattform als neuartige Forschungs- und Screeningtechnologie für die Raumfahrt. Da zelluläre Aktivitäten direkt während der Schwerelosigkeit erfasst und erst nach der Landung automatisiert ausgewertet werden können, eignet sich die Plattform ideal für Hochdurchsatzexperimente unter Weltraumbedingungen. Langfristig könnte CaMPARI auf kommerziellen Raumstationen eingesetzt werden, um Medikamente, Biotechnologien und grundlegende biologische Fragestellungen unter den einzigartigen Bedingungen der Mikrogravitation effizient zu untersuchen.