An der Universität Regensburg geht es um eine Frage, die schon beim Lesen heiß wird: Wie halten Archaeen ihre RNA aus, wenn die Umgebung bis zu 113 °C erreicht? Forschende des Weizmann Institute of Science und der Universität Regensburg haben dafür eine natürliche Form der RNA-Stabilisierung entdeckt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Cell“ veröffentlicht.

Untersucht wurden hyperthermophile Archaeen – Mikroorganismen aus heißen Quellen und Tiefsee-Schloten. Ihre Ribosomen, die zellulären „Proteinfabriken“, müssen auch unter diesen Bedingungen funktionieren. Dazu verändern die Organismen gezielt ihre ribosomale RNA. Ohne diese molekularen Anpassungen könnten sie in ihren extremen Lebensräumen nicht wachsen.

RNA mit eingebauter Hitzestrategie

RNA besteht aus Nukleotiden mit Ribose, Phosphat und einer der Basen Adenin, Guanin, Cytosin oder Uracil. Bei RNA-Modifikationen werden einzelne Bausteine oder das Phosphat-Zucker-Rückgrat gezielt chemisch verändert. Solche Eingriffe können die Stabilität, die Aufnahme in Zellen und die Immunverträglichkeit von RNA beeinflussen.

Die Forschenden analysierten RNA-Moleküle verschiedener extremophiler Archaeen aus der Stammsammlung des Deutschen Archaeenzentrums unter kontrollierten Kulturbedingungen. Hyperthermophile Arten wiesen dabei eine außergewöhnlich hohe Dichte an RNA-Modifikationen auf. Bei etwa der Hälfte dieser Veränderungen blieb es nicht beim einmaligen Einbau: Sie wurden abhängig von der Temperatur und den Umweltbedingungen hinzugefügt oder entfernt.

In Bakterien, gewöhnlichen Archaeen und menschlichen Zellen blieben die untersuchten RNA-Modifikationen dagegen weitgehend unverändert. Kryo-elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten, dass die chemischen Veränderungen die Ribosomen stabilisieren. Die Anpassungen ermöglichen so eine konstante Proteinproduktion trotz der Hitze.

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Das Team identifizierte außerdem die Enzyme, die diese Modifikationen gezielt in die RNA einbauen. Nach aktuellem Kenntnisstand sind Archaeen die ersten und bislang einzigen bekannten Lebewesen mit dieser Form der RNA-Modifikation.

Ein Schwefelatom als Schutzschild

Grundlage der Untersuchung war Pan-Mod-seq. Die vom israelischen Forschungsteam um Schraga Schwartz entwickelte Technologie kann RNA-Modifikationen in verschiedenen Zelltypen gleichzeitig und großflächig erfassen. Regensburger Expertise in RNA-Biologie, die spezielle Archaeensammlung und Verfahren zur Kultivierung extremophiler Archaeen machten die Untersuchung besonders hitzeresistenter Arten möglich.

Die Originalpublikation trägt den Titel „Phosphate backbone epitranscriptomics: Discovery of natural RNA phosphorothioates and their writer machinery“. Sie erschien 2026 in Cell, DOI: 10.1016/j.cell.2026.08.034.

Für RNA-Therapeutika werden unter anderem modifizierte Nukleoside, 2′-O-Methyl- und 2′-O-Methoxyethyl-Gruppen sowie Phosphorothioat-Modifikationen eingesetzt. Bei Phosphorothioaten wird ein nicht brückendes Sauerstoffatom im Phosphat-Rückgrat durch ein Schwefelatom ersetzt. Dadurch können therapeutische RNA-Moleküle besser vor dem Abbau durch Nukleasen geschützt werden.

Natürlich vorkommende Modifikationen wie 2′-O-Methylierungen und Pseudouridin beeinflussen ebenfalls Struktur, Stabilität und Funktion zellulärer RNAs. Auch bei mRNA-Impfstoffen kommen RNA-Modifikationen zum Einsatz, um deren Stabilität zu erhöhen und unerwünschte Immunreaktionen zu vermeiden. Die jetzt beschriebenen Mechanismen könnten künftig Hinweise für stabilere RNA-Moleküle in biomedizinischen Anwendungen und für die Entwicklung und Verbesserung RNA-basierter Therapeutika liefern.

Wenn Ribosomen ins Wanken geraten

Ein internationales Forschungskonsortium mit Teams aus Israel, Deutschland, den USA, Frankreich, Japan, China, Österreich und Polen untersuchte die Stabilität von Ribosomen bei extrem hohen Temperaturen. Koordiniert und geleitet wurde die Arbeit von Schraga Schwartz und Moran Shalev-Benami vom Weizmann-Institut. Die Beteiligung kam damit aus mehreren Richtungen zusammen – ein ziemlicher Aufwand für Zellen, die selbst offenbar sehr genau wissen, wie sie mit Hitze umgehen.

Ribosomen extremophiler Organismen erhalten ihre strukturelle Integrität durch eine dynamische Regulierung bestimmter RNA-Modifikationen. Die Experimente zeigten, dass chemische Veränderungen zusammenwirken: Methylierung (m⁵C) und Acetylierung (ac⁴C) stabilisieren bestimmte RNA-Regionen. Damit gibt es experimentelle Belege dafür, dass die lokale Stabilisierung der RNA-Struktur ein zentraler Mechanismus ist, um das strukturelle und funktionelle Gleichgewicht der Ribosomen bei hohen Temperaturen aufrechtzuerhalten.

Das Team um Sebastian Glatt von der Veterinärmedizinischen Universität Wien und dem Malopolska Centre of Biotechnology der Jagiellonian University bestätigte Ergebnisse anderer Konsortiumsteams. Dafür nutzte es die von Jakub Nowak entwickelte Methode der DyRNA-Thermometrie. Sie überwacht temperatur- und umgebungsabhängige Konformationsänderungen von RNA, indem sie Schwankungen der Fluoreszenzintensität misst.

Nowaks Experimente fanden an der Core Facility for Macromolecular Characterisation am Malopolska Centre of Biotechnology der Jagiellonian University statt. Finanziert wurde das Projekt durch den Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen von Horizon 2020, Fördernummer 101001394, SG.