Bakterielle Krankheitserreger aus dem Meer

Vibrio parahaemolyticus nutzt spezialisierte Zellen zur Verbreitung

21. Oktober 2019

Im Küstenbereich der Meere lebt das Bakterium Vibrio parahaemolyticus, einer der Hauptverursacher von Magen-Darm-Infektionen beim Menschen. Ein Forscherteam um Simon Ringgaard vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg untersucht, wie sich die Bakterien an die wechselnden Umweltbedingungen der Gezeitenzone anpassen. Ein spezieller Zelltyp, die „Abenteurer"-Zelle, sorgt für die Verbreitung des Erregers. Die neuen Erkenntnisse bilden eine wichtige Grundlage, um die Erkrankung künftig eindämmen zu können.

Vibrio-Infektionen zählen in Mittel- und Nordeuropa zu den „emerging diseases", deren Aufkommen jüngst gestiegen ist oder wahrscheinlich in naher Zukunft steigen wird. Gründe dafür sind der weltweite Handel und die durch die globalen Klimaveränderungen bedingten höheren Wassertemperaturen. Muscheln, Austern und Krabben, die aus tropischen Regionen in unsere Supermärkte gelangen, können sowieso ganzjährig und zu einem hohen Prozentanteil kontaminiert sein. Problematisch wird es, wenn diese roh oder nur unvollständig gegart verzehrt werden.

Abb. 1: Mit seiner einzelnen polaren Flagelle kann sich Vibrio parahaemolyticus schwimmend im Meerwasser fortbewegen. Die Aufnahme zeigt eine sich teilende Zelle, was an der Einschnürung der Zellmitte erkennbar ist.

Wie man weiß, bildet Vibrio parahaemolyticus Kolonien in der Gezeitenzone von Mündungsgebieten, und sein komplexer Lebenszyklus orientiert sich an den jeweiligen Bedingungen dieses Lebensraumes. Doch wie passt sich das Bakterium an den Umgebungswechsel an, und wie besiedelt es neue Habitate? Das war im Falle dieses Erregers weitgehend unbekannt.

„Damit Maßnahmen gegen die Verbreitung von Vibrio parahaemolyticus und anderen Vibrionen entwickelt werden können, müssen wir zunächst den Aufbau und die Verbreitungsstrategie der Bakterienkolonien verstehen“, erläutert Simon Ringgaard vom Marburger Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie. Er und sein Team stellen im Labor die Bedingungen der Gezeitenzone nach und erforschen damit den Lebenszyklus und die Bewegungsmechanismen von Vibrio.

Viele Bakterien bilden, wenn es die Umweltbedingungen erfordern, spezielle Zelltypen – so auch Vibrio parahaemolyticus. Während sich kurze Schwimmerzellen mit einer einzigen polaren Zellgeißel in flüssiger Umgebung schnell fortbewegen können, finden sich die länglichen Schwärmerzellen in Kolonien, die feste Oberflächen besiedeln. Ihre seitlichen Geißeln befähigen sie zu einer kriechenden Besiedelung weiterer Oberflächengebiete. Die Vibrio-Bakterienkolonien der Gezeitenzone weisen eine ganz bestimmte Schichtung auf: während die Mitte der Kolonie aus eher kürzeren Zellen besteht, finden sich die längeren Schwärmerzellen in den Außenbereichen der Kolonie.

Abb. 2: Entwicklung der Schwarmzellenkolonie und Verbreitung der Abenteurerzellen in ihre Umgebung. 0) Planktonische Zellen heften sich an einer festen Oberfläche an. Unter Schwarmbedingungen können die Zellen die Entwicklung einer Schwarmkolonie initiieren. Diese durchläuft vier Stadien: 1) Koloniewachstum; 2) Einleitung der Differenzierung und Bildung von Schwarmausläufern, 3) Expansion der Schwarmaussenseite, 4) Reife Schwarmkolonie und Ausbildung der endgültigen Architektur. 5) Bei Überflutung der Kolonie wird ein kürzerer Zelltyp in die Umgebung freigesetzt: die Abenteurerzelle. Sie ist sehr schwimmfähig und kann sich in Richtung einer chitinhaltigen Nahrungsquelle bewegen und daran anheften.

Das Max-Planck-Forscherteam konnte zeigen, dass bei einer Überflutung der Kolonie mit Wasser, wie im natürlichen Lebensraum stattfindet, Zellen in die flüssige Umgebung freigesetzt werden. Überraschenderweise sind das jedoch weder die außen gelegenen, langen Schwärmerzellen, noch die innen gelegenen, sehr kurzen Zellen, sondern ein ganz unerwarteter und neuer Zelltyp mittlerer Länge macht sich auf den Weg. Diese „Abenteurer"-Zellen sind für das Leben im Wasser optimiert und verfügen über besonders gute Schwimmeigenschaften.

Nach ihrer Freisetzung sind die Abenteurer-Zellen in der Lage, sich in ihrer neuen flüssigen Umgebung zu verbreiten. Vor allem können sie potenzielle Nährstoffquellen wie Chitin "riechen" und sich auf potenzielle Nährstoffquellen zubewegen: Chitin ist ein wesentlicher Bestandteil der Meerestiere, an die Vibrio parahaemolyticus gebunden ist. So hat die Freisetzung von Abenteurer-Zellen ins Wasser das Potenzial, die Ausbreitung des Bakteriums in der Umwelt - und damit auch in unserer Nahrungskette - zu unterstützen.

Abb. 3: Definierte Expressionsmuster reifer Schwarmzellkolonien. Die Bilder zeigen Fluoreszenz- und DIC Mikroskopie-Aufnahmen von Zellen des Außenbereiches und Innenbereiches der reifen Schwarmzellkolonie von Vibrio parahaemolyticus. Der Maßstab entspricht 5µm. Zellen einer reifen Schwarmzellkolonie finden sich in Zonen unterschiedlicher Differenzierungsstadien. Der grüne Farbstoff zeigt die Aktivität des Gens vp1343 an, das hauptsächlich von Zellen im Kolonieinneren exprimiert wird. Der rote Farbstoff weist die Aktivität des Genes der seitlichen Flagellen-Untereinheit nach, lafA, das vor allem von Zellen der Peripherie exprimiert wird.

Die Marburger Forscher untersuchten den Lebenszyklus in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen und der Zeit sowohl morphologisch als auch molekularbiologisch. Die daraus resultierenden charakteristischen Expressionsmuster der Zelltypen könnten zukünftig dem Nachweis des Bakteriums dienen. Doch vielleicht geht um etwas viel Weitreichenderes, so Simon Ringgaard: „Unsere Experimente zeigen, dass die Kolonie stets eine Sub-Population von Abenteurer-Zellen bereithält, um bei Überflutung sofort diese spezialisierten Zellen freizugeben. Abenteurer-Zellen hätten so eine zentrale Bedeutung für die weltweite Epidemiologie der Erkrankung – und damit auch für Maßnahmen zu ihrer Eindämmung, zum Beispiel in der industriellen Aquakultur.“

Weitere interessante Beiträge

Zur Redakteursansicht