Bakterien verirren sich im Labyrinth der Düfte

    27. April 2019, 11:02
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    Genetisch einheitliche Bakterien suchen individuell unterschiedliche Wege zu chemischen Lockstoffen. Das kann in einer sich rasch ändernden Umwelt ein evolutionärer Vorteil sein

    Einfache Lebensformen benötigen einfache Lösungen. Mikroorganismen, die ihre Umwelt wahrnehmen und sich aktiv fortbewegen können, bahnen sich den Weg durch ihre Welt auf der Grundlage von wiederholten einfachen Entscheidungen: Ist ein wahrgenommener Stoff schädlich oder nahrhaft? Nimmt seine Konzentration am derzeitigen Weg zu oder ab?

    foto: janice haney carr/cdc via ap
    Escherichia coli , das viel untersuchte Darmbakterium, wird endlich auch für seine Individualität gewürdigt.

    Darauf basierend, wechseln Bakterien regelmäßig ihre Richtung und bleiben umso länger auf dieser, je mehr es ihren Bedürfnissen entspricht. Mit der Zeit kommen sie einem Stoff also immer näher oder entfernen sich weit genug von ihm. Dieses Fortbewegungsprinzip bezeichnet man als Chemotaxis. Es ist nicht nur für Mikroorganismen relevant, sondern auch für Zellen in mehrzelligen Organismen. Anschauliche Beispiele dafür sind weiße Blutkörperchen, die auf diese Weise Krankheitserreger im Körper aufspüren, oder Spermien auf der Suche nach der Eizelle.

    Bakterielles Labyrinth

    Wenn sich alle Zellen oder Bakterien einer Art mehr oder weniger gleich bewegen, können Durchschnittswerte zur Beschreibung der Bewegung verwendet werden. Wissenschafter der ETH Zürich fanden nun aber heraus, dass diese bisherige Herangehensweise der Realität nicht völlig entspricht. "Wer genau hinschaut, entdeckt sogar innerhalb einer Population genetisch gleicher Zellen erstaunliche Verhaltensunterschiede", so Mehdi Salek und Francesco Carrara, Erstautoren der aktuellen Studie im Journal "Nature Communications".

    Das Verhalten von Insekten, Würmern, aber auch Pflanzenwurzeln entlang von chemischen Gradienten, also Konzentrationsgefällen, kann in Labyrinthen beobachtet werden. Im mikroskopischen Maßstab nützten die Forscher diese Methode jetzt erstmals auch für Bakterien. Der Versuchsaufbau enthielt eine Reihe von engen, flüssigkeitsgefüllten Kanälen, die sich auf einer dünnen Glasplatte verästelten und durch die die Bakterien schwimmen konnten. So bildeten sie ein Labyrinth mit einem Startkanal und einem Endpunkt mit der höchsten Konzentration eines chemischen Lockstoffes.

    foto: eth zürich/glynn gorick
    Die Bakterien beginnen am Startpunkt und können bei jeder Verzweigung entscheiden, ob sie nach oben (in Richtung niedrigerer Konzentration) oder nach unten (in Richtung höherer Konzentration) schwimmen.

    Alle Bakterien beginnen am gleichen Ort und müssen bei jeder Verzweigung entscheiden, ob sie nach oben oder unten weiterschwimmen. Dabei fanden die Forscher selbst innerhalb einer Gruppe genetisch absolut identischer Bakterien solche, die dem Lockstoff besser oder schlechter folgen konnten. Salek und Carrara erklären das so, dass in Geschwisterzellen die jeweils gleichen Gene unterschiedlich aktiv sein können. "In jeder Zelle herrscht eine Art biochemisches Rauschen. Diese fundamentale Zufallskomponente vergrößert die Erscheinungs- und Verhaltensvielfalt."

    Evolutionärer Startvorteil

    Diese chemotaktische Heterogenität kann für die Bakterien evolutionär einen Vorteil darstellen. Während die Spürhunde unter ihnen nahe Nahrungsquellen schnell finden und ausbeuten, erkunden ihre Kollegen neues Territorium. Unter sich permanent ändernden Umweltbedingungen kann das neue und zusätzliche Ressourcen bedeuten.

    Die bisher wenig beachtete Individualität von Bakterien spielt auch für die Forschung eine Rolle. Wissen über das unterschiedliche Verhalten kann beispielsweise helfen, bakterielle Infektionen von Korallen oder den mikrobiellen Abbau von Ölverschmutzungen besser zu verstehen. (pkm, 27.4.2019)

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