„Sporengedächtnis“ verbindet verschiedene Stadien des Lebenszyklus  

12. Februar 2018

Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie und dem BioQuant Zentrum der Universität Heidelberg haben gezeigt, wie ein „Sporengedächtnis“ zu komplex-adaptiven Verhaltensweisen in Mikroben führt. Die Ergebnisse der Studie wurden in Nature Communications veröffentlicht.

Um Schwankungen in der Verfügbarkeit von Nährstoffen zu bewältigen, wechseln viele Bakterien durch Sporenbildung zwischen Wachstum und Ruhezustand. Die Max-Planck-Forschungsgruppe von Dr. Ilka Bischofs beobachtete den adaptiven Lebenszyklus von Bacillus subtilis und stellte überraschend fest, dass sich Sporen scheinbar „erinnern“ können, wann sie entstanden sind: Nachdem neue Nährstoffe zur Verfügung gestellt wurden, konnten Sporen, die früh gebildet wurden, erfolgreicher reaktiviert werden als Sporen, die später gebildet wurden.

Das phänotypische Gedächtnis von B. subtilis Sporen kann durch Markierung des Enzyms Alanin-Dehydrogenase mit einem rot-fluoreszierenden Protein sichtbar gemacht werden. Früh gebildete Sporen weisen eine höhere Enzymkonzentration auf als spät gebildete Sporen (links) und reagieren dadurch effizienter auf L-Alanin (rechts).

Die Grundlage für dieses „Gedächtnis“ ist ein metabolisches Enzym, das bakterielles Wachstum antreibt. Bakterien stellen dieses Enzym her, wenn Nährstoffe verfügbar sind und stoppen die Synthese des Enzyms, wenn die Nährstoffe abgebaut sind. Selbst wenn keine neuen Enzyme hergestellt werden, können die vorhandenen Proteine von einer Zellgeneration zur nächsten bis zur Sporulation übertragen werden. Die Proteine werden in der dormanten Spore gespeichert und sind inaktiv, bis neue Nährstoffe zur Verfügung stehen. Auf diese Weise erhalten Sporen ein stabiles “phänotypisches Gedächtnis” an die Wachstums- und Genexpressionshistorie ihrer Vorläuferzellen, das ihr zukünftiges Verhalten beeinflusst. Da ein beträchtlicher Teil des Proteoms einer Spore bereits vor der Sporulation gebildet wird, tragen vermutlich mehrere Proteine zu diesem Gedächtnis bei.

Das phänotypische Gedächtnis hat tiefgreifende Konsequenzen für die Produktion von Sporen. Ähnlich wie bei Pflanzensamen oder Fischeiern gibt es einen Kompromiss zwischen Quantität und Qualität: Bakterien können entweder viele Sporen herstellen, um in nährstoffreichen Umgebungen wieder aufleben zu können, oder  weniger, aber dafür bessere Sporen, die auch in nährstoffarmen Umgebungen wieder aufleben können. Auf evolutionären Zeitskalen könnte dieser Kompromiss Anpassungen an verschiedene ökologische Nischen vorantreiben.

Referenz

A. Mutlu, S. Trauth, M. Ziesack, K. Nagler, J. Bergeest, K. Rohr, N. Becker, T. Höfer and I. B. Bischofs
Phenotypic memory in Bacillus subtilis links dormancy entry and exit by a spore quantity-quality tradeoff
Nature Communications 9:69, 2018

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