Bundeswettbewerb Jugend forscht 2002
Populärwissenschaftliche Fassung der Arbeit

Schleimpilze als Biotest
Computergestützte Erfassung chemischer und physikalischer Einflüsse auf die Cytoplasmaströmung des Myxomyceten Physarum polycephalum

Martin Etzrodt und Martin von der Helm, Bundessieger im Fachgebiet Biologie 2002
Preis der Kultusministerkonferenz; Umweltpreis der Bundesbildungsministerin.
Einladung zur Teilnahme am 14th European Union Contest for Young Scientists

Problemstellung
Biotests ermöglichen die Wirkung verschiedener Umwelteinflüsse auf lebende Organismen zu prüfen. Solche Stressfaktoren sind etwa Temperatur, Strahlung oder chemische Substanzen. Es fehlen jedoch oft einfache Modellorganismen, die folgende Kriterien erfüllen müssen: Sie müssen so einfach sein, dass die zellulären Vorgänge nachvollziehbar sind und gleichzeitig Eigenschaften besitzen, die die Ergebnisse auf höhere Organismen übertragbar machen.

Ziel der Arbeit
Der Schleimpilz Physarum polycephalum besitzt diese Eigenschaften im hohen Maße: Er weist eine einfache Zellstruktur auf; die Vorgänge innerhalb der Zelle sind durch seine Cytoplasmaströmung gut beobachtbar. Die Anwendbarkeit auf höhere Organismen ist durch den hohen Anteil an Actin und Myosin gegeben, zwei Proteine die auch beim Menschen für die Muskelbewegung verantwortlich sind. Unser Ziel war, diese Eigenschaften für Testzwecke nutzbar zu machen.

Hypothese
Experimentell verursachte Änderungen der Umgebungsparameter haben Einfluss auf die Vorgänge im Zellplasma. Diese sollten sich durch verschiedene Strömungsmuster im Zellplasma bemerkbar machen.

Methode
Die Arbeit war interdisziplinär angelegt. Die Vorgänge in den Zellen werden in einer speziell konstruierten Messkammer erfasst, welche die Kontrolle aller Umwelteinflüsse ermöglicht. Das ist wichtig, weil nur so aussagekräftige Messungen gemacht werden können. Über ein Videomikroskop wird die Strömung dann gefilmt. Mit Hilfe eines Computerprogramms werden die Daten ausgewertet: Die von uns entwickelte Software berechnet aus den Filmbildern die Strömungsgeschwindigkeit.

Ergebnisse
Die genaue Methode der Datenerfassung erlaubte genaue Studien der Strömungsmuster unter Normalbedingungen. Wir konnten die so gewonnenen Erkenntnisse anwenden, um die Wirkung verschiedener Substanzen auf die Zelle zu interpretieren. Die Cytoplasmaströmung ist temperaturabhängig, das Optimum liegt bei 27°C. Durch Zugabe toxischer Substanzen, bzw. spezifischer Hemmstoffe konnte das den tierischen Zellen ähnliche Actin-Myosin System in Physarum polycephalum beeinflusst werden. Auch eine UV-Empfindlichkeit konnte festgestellt werden.

Schlussfolgerungen
Physarum polycephalum ist ein sehr guter Modellorganismus für Bewegungsvorgänge in tierischen Zellen (Muskeln): Die erlangten Ergebnisse sind durch die Ähnlichkeit im Bewegungsapparat auf höhere Organismen übertragbar.

Ausblick
Das System ist sehr flexibel: Durch den Einsatz schnellerer Computertechnik ist die Messgenauigkeit des Verfahrens erweiterbar. Unsere Messverfahren (die Messkammer und das Computerprogramm) sind nicht nur auf die Fragestellung festgelegt, sondern eignen sich auch zur Lösung anderer Probleme. Weitere spezifische Untersuchungen können das System langfristig als Biotest etablieren.

Summary

A computer aided method of investigating the cytoplasmic shuttle streaming of the myxomycete Physarum polycephalum
Computergestützte Erfassung physikalischer und chemischer Einflüsse auf die Cytoplasmaströmung des Myxomyceten Physarum polycephalum

Martin Etzrodt, Martin von der Helm
Max-Born-Gymnasium Germering, Joh.- Seb.-Bach- Str. 8, 82110 Germering
* Richard-Wagner- Str. 6, 82110 Germering etzrodt@gmx.net
** Angerfeldstraße 18, 82205 Geisenbrunn, Martin.vdH@gmx.de

Physarum polycephalum belongs to the group of the real slime molds. It is a suitable model organism for the motility of the cytosceleton in higher eukaryote cells. The shuttle streaming of the giant cell can be easily observed under the microscope. We have developed a novel measuring system that allows us to study the motility of the cells under defined conditions in a special measuring chamber under the microscope. With the help of a CCD-camera the shuttle streaming is captured and a new digital image processing tool is used to obtain reliable and quantitative data for further analysis. The cells react highly sensitive to environmental impacts such as UV-radiation, temperature and chemical substances. Using specific inhibitors of the cytosceleton and conducting long term measurements we try to find out more about the way the shuttle streaming in Physarum polycephalum is organised and examine the capacity of the cells to function as a model organism or even a simple biotest.