Volkszählung bei Bakterien

Bacillus subtilis kann Gruppenanteile in gemischten Populationen ermitteln

3. März 2020

Man weiß bereits seit längerem, dass Bakterien in der Lage sind, die Bakterienzahl in ihrer Umgebung zu ermitteln. Bacillus subtilis kann vermutlich noch mehr: seine komplexen Signalsysteme sind in der Lage, Informationen zur Zusammensetzung einer Population zu liefern.

Wer, wieviele, und in welchem Verhältnis? Das sind für Bakterien entscheidende Fragen.

Seit Jahrzehnten ist bekannt, dass Bakterien wahrnehmen können, wie viele sie sind. Dazu scheiden sie Signalmoleküle aus, die sich mit zunehmender Zellzahl anreichern und deren Menge eine Verhaltensänderung auslösen kann, wenn eine bestimmte Gruppenstärke erreicht ist. Ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie und der Universität Heidelberg konnte nun zeigen, dass Bakterien darüber hinaus die Fähigkeit besitzen, den Mengenanteil verschiedener Gruppen in ihrer Umgebung wahrzunehmen.

In der Natur leben Mikroben oft in äußerst komplexen Lebensgemeinschaften, umgeben von anderen Zellen, die sich sogar innerhalb einer Art voneinander unterscheiden können. Die Leiterin der Studie, Ilka Bischofs, beschreibt es folgendermaßen: „Stellen Sie sich vor, Sie stehen in einem Ballsaal voller Menschen. Deren reine Anzahl ist für die Suche nach einem Tanzpartner nur bedingt relevant. Erst das Geschlechterverhältnis ermöglicht es Ihnen, abzuschätzen, wie schwer es ist, einen Partner zu finden. Auch Bakterien sammeln Informationen über ihre Umgebung, die ihnen helfen, sich bestmöglich anzupassen. Für ihre Entscheidungsfindung wären Informationen über Gruppenverhältnisse von großem Vorteil. “

Dass Bakterien die Gesamtzahl einer Population ermitteln können, ist seit längerem bekannt: eine Fähigkeit, die man auch als Quorum Sensing bezeichnet (links). Über ein sog. "Pumpsonden-System" ist Bacillus subtilis in der Lage, die Mengenanteile verschiedener Gruppen zu bestimmen (rechts). Da diese Systeme bei grampositiven Bakterien weit verbreitet sind, aber auch bei Viren und mobilen genetischen Elementen vorkommen, könnten die Ergebnisse ein neues Kapitel im  Verständnis der mikrobiellen Kommunikation und Koordination zellulären Verhaltens in heterogenen Populationen eröffnen.

Das Forscherteam untersuchte die Informationsgewinnung im Bakterium Bacillus subtilis. Diese Art besitzt eine Vielzahl von baugleichen chemischen Signalsystemen, von denen man bisher dachte, dass sie die Zellzahl messen. Doch könnten die Zellen damit noch weitaus mehr Informationen gewinnen, wie das Team in der Fachzeitschrift Nature Communications schreibt. Die jeweiligen Signalmoleküle werden nur von einem Teil der Zellen produziert, aber von allen Bakterien aufgenommen. Die Zellen konkurrieren daher untereinander um die Signalmoleküle. Je größer der Gruppenanteil an Signalproduzenten, desto mehr Signalmoleküle häufen sich in den Zellen an, wo sie ausgelesen werden. Wie beim Computer hängt die spezifische Funktion eines Gesamtsystems allerdings von seinen Einstellungen ab. Das Forscherteam konnte experimentell zeigen, dass das exemplarisch untersuchte Signalsystem in den Bakterien tatsächlich für eine Anteilsmessung richtig konfiguriert ist.

Diese Fähigkeit könnte dem Bakterium entscheidende Vorteile bringen. Wie die Forschung in den vergangenen Jahren gezeigt hat, spaltet Bacillus subtilis seine Population oftmals in Untergruppen von Zellen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Funktionen auf. Ähnlich wie ein Aktienhändler diversifiziert das Bakterium sein Portfolio an Phänotypen. Das Wissen um die Zusammensetzung eines Portfolios ermöglicht es, passend auf veränderte Bedingungen zu reagieren - eine Strategie, die Bakterien im Laufe der Evolution möglicherweise schon entdeckt haben.

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