{"id":1298746,"date":"2021-02-17T06:07:15","date_gmt":"2021-02-17T06:07:15","guid":{"rendered":"https:\/\/www.pressenza.com\/?p=1298746"},"modified":"2021-02-20T17:31:23","modified_gmt":"2021-02-20T17:31:23","slug":"die-geheime-kommunikation-der-bakterien","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.pressenza.com\/de\/2021\/02\/die-geheime-kommunikation-der-bakterien\/","title":{"rendered":"Die geheime Kommunikation der Bakterien"},"content":{"rendered":"
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In diesem Jahr geht der mit 120.000 Euro dotierte Paul-Ehrlich- und Ludwig-Darmstaedter-Preis f\u00fcr herausragende Arbeiten auf dem Gebiet der Medizinischen Mikrobiologie\/Immunologie an zwei US-amerikanische Forscher*innen, die an der Entschl\u00fcsselung der bakteriellen Kommunikation, des sogenannten „Quorum Sensing“, ma\u00dfgeblich beteiligt waren. Ihre Forschung gibt Anlass zu der Hoffnung, diese Kommunikation st\u00f6ren und dadurch Infektionskrankheiten effektiver bek\u00e4mpfen zu k\u00f6nnen.<\/b><\/p>\n

Sind Antibiotika also bald schon \u00fcberfl\u00fcssig? Mit Sicherheit nicht. Allerdings k\u00f6nnten die Arbeiten von Bonnie L. Bassler und Michael R. Silverman dazu beitragen, die Verwendung von Antibiotika in Zukunft zu verringern, was in Anbetracht der weltweit wachsenden Resistenzproblematik schon einen beachtenswerten Fortschritt f\u00fcr die Medizin bedeutete.<\/p>\n

In der Begr\u00fcndung f\u00fcr die Preisverleihung spricht man von einer „Achillesferse“ der Bakterien, l\u00e4sst aber dar\u00fcber hinaus die ganz grunds\u00e4tzliche Erkenntnis nicht au\u00dfer Acht, „dass kollektives Verhalten nicht nur die Regel unter vielzelligen Organismen ist, sondern auch unter Bakterien“. Von einem „fundamentalen Perspektivenwechsel“ ist die Rede. Was hat es also mit dem sogenannten Quorum Sensing<\/i> auf sich?<\/p>\n

Bakterien sind einfache Einzeller (Prokaryoten), die im Gegensatz zu „h\u00f6heren“ Einzellern und Vielzellern (Eukaryoten) nicht einmal \u00fcber einen Zellkern zum Schutz ihres Erbgutstranges aus Desoxyribonukleins\u00e4ure (DNA) verf\u00fcgen. Dennoch leisten sie mehr als blo\u00dfe Zellteilung und Stoffwechsel. Ihr Austausch mit der Umgebung beschr\u00e4nkt sich nicht auf die Aufnahme von Energie und N\u00e4hrstoffen sowie die Ausscheidung bestimmter Endprodukte. Sie leben in st\u00e4ndiger Konkurrenz sowohl mit anderen Bakterien als auch mit eukaryotischen Systemen, die ihnen ihre Lebensgrundlage streitig machen, und haben diverse molekuare Waffen entwickelt, um dieser Bedrohung zu begegnen. Richten sich jene Waffen gegen die Gesundheit und das Leben zum Beispiel von uns Menschen, etwa, weil die bakterielle Lebensgrundlage tats\u00e4chlich sogar auf der Zerst\u00f6rung menschlichen Gewebes beruht, nennen wir sie Virulenz- oder allgemeiner Pathogenit\u00e4tsfaktoren. Solche Faktoren, die die bakterielle Adh\u00e4sion oder Invasion erleichtern, sowie bakterielle Toxine sind seit der Fr\u00fchzeit der Mikrobiologie bekannt und bis heute Gegenstand intensiver Forschung.<\/p>\n

Relativ neu ist aber, dass Bakterien sich untereinander auch verst\u00e4ndigen, eigens zu diesem Zweck bestimmte Signalmolek\u00fcle entwickelt haben und diese nutzen, um sogenannte Biofilme zu bilden. Biofilme „sind mehr als die Summe ihrer Teile“ (Bassler), weisen wichtige Eigenschaften komplexer vielzelliger Organismen auf und erh\u00f6hen die \u00dcberlebensf\u00e4higkeit der Bakterienpopulation enorm \u2013 leider auch in vielen mikrobiell bedingten Krankheitsgeschehen.<\/p>\n

Obwohl Biofilme entwicklungsgeschichtlich sehr alt sind (fossile Stromatolithen: ca. 3,2 Milliarden Jahre) und gesch\u00e4tzt wird, dass auch heute noch die gro\u00dfe Mehrheit der Mikroorganismen in der Natur in Biofilmen existiert, bedurfte es erst eines Zwergtintenfisches, um der lange geheimen Kommunikation der Bakterien \u2013 und somit einem der wesentlichen Elemente bei der Entstehung von Biofilmen \u2013 auf die Spur zu kommen. Die Tintenfischart Euprymna scolopes<\/i> jagt \u00fcblicherweise nachts in flachen Gew\u00e4ssern rund um die Inselgruppe Hawaii und benutzt das leuchtende Bakterium Aliivibrio fischeri <\/i>als Symbionten, um seinen Fressfeinden nicht als „dunkler Fleck“ auf dem mondbeschienenen Meeresboden aufzufallen. Nachdem man in den 1970er Jahren bereits herausgefunden hatte, dass A. fischeri<\/i> seine Biolumineszenz in Kultur \u00fcber das N\u00e4hrmedium weitergeben konnte, entdeckte Silverman im n\u00e4chsten Jahrzehnt dann das erste Signalmolek\u00fcl und\u00a0 dessen genetische Grundlage. Zu Anfang der 1990er Jahre schlie\u00dflich beschrieb Bassler weitere solcher Botenstoffe, was den Stiftungsrat der Paul-Ehrlich-Stiftung<\/i> zu der \u00c4u\u00dferung verleitete, dass „Bakterien nicht nur \u00e4u\u00dferst kommunikativ seien, sondern sogar mehrere Sprachen beherrschten“.<\/p>\n

Doch wie genau funktioniert nun dieses unter Bakterien geradezu universell verbreitete Prinzip des Sendens und Empfangens? Zur Beantwortung dieser Frage empfiehlt sich zun\u00e4chst ein Ausflug in die grundlegende Biochemie der Zelle. Bei der DNA, die in der Regel in jeder lebenden Zelle zu finden ist (bei Eukaryoten im Zellkern), handelt es sich um ein sehr langes, doppelstr\u00e4ngiges Biomolek\u00fcl. Viren zum Beispiel k\u00f6nnen stattdessen auch eine einzelstr\u00e4ngige Ribonukleins\u00e4ure (RNA) besitzen. Im Normalzustand hat das DNA-Molek\u00fcl die Form einer Doppelhelix, deren zwei Str\u00e4nge \u00fcber vier unterschiedliche, sich in unregelm\u00e4\u00dfiger Folge abwechselnde Br\u00fccken \u2013 Basen genannt \u2013 miteinander verbunden sind. Die schier endlose Abfolge dieser Basen im Molek\u00fcl nennt man auch die DNA-Sequenz; sie ist der Code f\u00fcr die Erbinformation. Um diese auszulesen, wird die Doppelhelix zun\u00e4chst teilweise aufgetrennt. Von der Sequenz werden sodann RNA-Kopien angefertigt (die sogenannte Transkription), die wiederum in Eiwei\u00dfstoffe (Proteine) \u00fcbersetzt werden (Translation). Proteine bestehen aus einer artspezifischen Anzahl verschiedener Aminos\u00e4uren, die wie die DNA eine hochkomplexe Molek\u00fclstruktur ausbilden. Sie werden f\u00fcr alle Lebensfunktionen der Zelle sowie gegebenenfalls des gesamten Organismus ben\u00f6tigt, f\u00fcr die Formgebung (Strukturproteine) genau wie f\u00fcr den Stoffwechsel und sogar f\u00fcr das Auslesen der DNA-Sequenz selbst. Jeden Abschnitt der DNA-Sequenz, der f\u00fcr ein bestimmtes Protein kodiert oder eine andere funktionelle Einheit bildet, nennt man ein Gen, die Gesamtheit der Gene in einer Zelle bildet das Genom.<\/p>\n

Aber nicht alle Gene im Genom sind aktiv, und erst recht nicht alle zur gleichen Zeit. Gene verf\u00fcgen zu ihrer Expression, also um abgelesen werden zu k\u00f6nnen, \u00fcber Promotor-Regionen, die durch Transkriptionsfaktoren, unter anderem durch sogenannte Induktoren, aktiviert werden m\u00fcssen. Und hier sind wir dann schon mitten drin im Quorum Sensing<\/i>. Der Begriff „Quorum“ stammt ja aus dem Alten Rom und bezeichnete urspr\u00fcnglich die Mindestzahl an Senatoren, die bei einer Abstimmung f\u00fcr ein bestimmtes Votum ben\u00f6tigt wurden. In unserem Fall nun m\u00fcssen die Bakterien entscheiden, ob ihre Anzahl ausreicht, um einen Biofilm zu bilden und\/oder bestimmte Pathogenit\u00e4tsfaktoren ein- beziehungsweise freizusetzen. Die entsprechenden Gene werden sinnvollerweise nur dann aktiviert, wenn ihr Quorum \u00fcberschritten ist. Was l\u00e4ge also n\u00e4her, als gleich die zu den Promotoren der jeweils erforderlichen Gene passenden Induktoren hin- und herzuschicken, die diese Gene anschalten? Zumindest schleusen Bakterien aber genau diejenigen Induktoren aus, die f\u00fcr die Expression der Induktorgene selbst ben\u00f6tigt werden. Es kommt in der Bakterienpopulation somit zu einer positiven R\u00fcckkopplung, die dazu f\u00fchrt, dass sich das Signal rasch in der gesamten Population verbreitet. Solche Autoinduktoren sind die zentralen Signalmolek\u00fcle, die von den aktuellen Preistr\u00e4ger*innen identifiziert und jahrzehntelang erforscht wurden. Demnach sind Autoinduktoren frei diffundierende Molek\u00fcle, die von jedem Bakterium kontinuierlich in geringen Mengen in die Umgebung abgegeben werden. F\u00fcr sie gilt selbst ein Quorum, also eine bestimmte Schwellenkonzentration, ab der die Genexpressionsspirale letztlich beginnt.<\/p>\n

Im Zusammenspiel unterschiedlicher Autoinduktoren bleibt es dann nicht notwendigerweise bei der reinen Autoinduktion. So konnte Bassler beispielsweise zeigen, dass das marine Bakterium Vibrio harveyi<\/i> gleich drei Autoinduktoren nutzt, um alles in allem bis zu 600 Gene zu regulieren. Auch der medizinisch ungleich bedeutendere Cholera-Erreger Vibrio cholerae<\/i> besitzt multiple Quorum-Sensing<\/i>-Systeme, die es ihm neben der Kontrolle seiner Biofilmbildung sowie seiner Virulenz unter anderem erlauben, zwischen verwandten und nicht-verwandten Bakterienpopulationen zu unterscheiden.<\/p>\n

Das Studium von Quorum-Sensing<\/i>-Ph\u00e4nomenen er\u00f6ffnet also M\u00f6glichkeiten, sowohl die intra- als auch die interartliche Kommunikation und Kooperation von Mikroorganismen mitsamt ihrer intrazellul\u00e4ren Informationsverarbeitung zu verstehen und in einem n\u00e4chsten Schritt Strategien zu entwickeln, diese zu unterbrechen. Es k\u00f6nnten gezielt Substanzen synthetisiert werden, die antimikrobiell wirken ohne direkt antibiotisch zu sein, indem sie Bakterien zum Beispiel daran hindern, sich vor dem menschlichen Immunsystem zu sch\u00fctzen.<\/p>\n

Da es medizinisch relevante Bakterien gibt (Pseudomonas aeruginosa)<\/i>, die nicht nur chemische Stoffe, sondern sogar den Lichteinfall f\u00fcr Ver\u00e4nderungen ihrer Genexpression und ihres Verhaltens nutzen (Photosensing)<\/i>, sieht Bassler bereits „die B\u00fchne f\u00fcr eine lichtvermittelte Kontrolle der Infektiosit\u00e4t von P. aeruginosa<\/i> bereitet“.<\/p>\n

Darauf wird die Forscherin allerdings noch ein wenig warten m\u00fcssen \u2013 genau wie auf ihren Forschungspreis, der wegen der aktuellen Covid-19-Pandemie erst zusammen mit dem n\u00e4chstj\u00e4hrigen Preis an Paul Ehrlichs 168. Geburtstag am 14. M\u00e4rz 2022 offiziell verliehen werden soll.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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