Warum kommunizieren Bakterien?

Die kurze Antwort ist ganz einfach: Bakterien reden, weil es ihrem Überleben hilft. Jede Zelle in einer Bakterienpopulation ist damit beschäftigt, chemische Moleküle freizusetzen, welche als Signale wirken. Eine Zelle setzt nicht nur die Signale frei, sondern ist auch damit beschäftigt, nach Signalen zu suchen. Ihre Abtastmaschinerie ist extrem empfindlich, so dass sie auf Änderungen der Signalkonzentration reagieren kann. Ist die Konzentration des Signals niedrig, verhalten sich alle Zellen wie Individuen, die jeweils mit ihren eigenen Überlebensfähigkeiten beschäftigt sind. Ist das Signal hoch, wenden sich die Zellen sozialen Aktivitäten zu, wie z. B. dem koordinierten Bewegen (Schwärmen, Gleiten, Surfen) in Gruppen. Andere Bakterien reagieren, indem sie an Ort und Stelle bleiben und einen Biofilm aufbauen, der mit einer Festung oder einer Schutzstruktur gegen Fressfeinde, Austrocknung oder andere lebensbedrohliche Veränderungen verglichen werden kann. Diese sozial orientierten Bakterien können mit Mini-Fabriken verglichen werden, die ein Vielfaches ihres eigenen Zellvolumens an gemeinsam genutzten Gütern produzieren, um das Überleben der Population zu sichern. Wieder andere Bakterien bereiten sich auf den Weltuntergang vor und produzieren Sporen, die selbst den extremsten Bedingungen widerstehen können. In jedem dieser Beispiele dient die Kommunikation dazu, den Bakterien beim Überleben zu helfen.

Die obige Bilderserie stellt Schnappschüsse einer wachsenden Bakterienkolonie dar, welche im Abstand von einer Stunde aufgenommen wurden. Die Zellkolonie ist im Hellfeldkanal (oben) sichtbar. Diese Bakterien haben drei Reporterproteine, die für die Fluoreszenz in Blau, Rot und Gelb verantwortlich sind. Der blaue Reporter wird produziert, wenn die Zellen hungrig werden. In diesem Beispiel ist der limitierende Nährstoff das Element Phosphat. Phosphat ist typischerweise limitierend im Boden, dem Lebensraum dieses Bakteriums (Sinorhizobium meliloti). Der rote Reporter wird produziert, wenn die Zellen das Kommunikationssignal produzieren. Der gelbe Reporter wird produziert, wenn die Zellen hohe Konzentrationen des Signals erkannt haben und mit der Produktion eines schleimigen Gleitmittels reagieren, das den Bakterien hilft, auf der Suche nach Nahrung über eine Oberfläche zu gleiten. Das schleimige Gleitmittel, ein hochenergetischer komplexer Zucker, wird nur produziert, wenn die Zellen hungrig nach Phosphat sind UND eine ausreichend hohe Populationsdichte aufweisen, um das Gleiten zu unterstützen. Auf diese Weise dient die Kommunikation der Bakterien als Schalter, um die Produktion in Gang zu setzen. Es werden enorme Mengen des Polysaccharids produziert. Die meisten Zellen produzieren mindestens ihr eigenes Zellvolumen an Polysaccharid und ähneln damit einer winzigen, aber hocheffizienten Fabrik.

Diese Produktionsleistung ist bemerkenswert. Wie können wir diese nutzen? Durch genetische Modifikation können wir ihre Fähigkeit zur Produktion von Polysaccharid durch die Fähigkeit ersetzen, etwas Nützlicheres zu produzieren, wie z. B. PHB, das geerntet und zu Bioplastik verarbeitet werden kann. Außerdem können wir ihnen die Fähigkeit nehmen, das Polysaccharid zu produzieren, wodurch Energieressourcen für die PHB-Produktion frei werden. Das Tolle an diesem Aufbau ist, dass die Bakterien erst dann PHB produzieren, wenn sie mit dem Wachstum fertig und bereit sind, in die Produktion einzusteigen. Auf diese Weise können wir uns ihre Kommunikation zunutze machen und sie als natürlichen Schalter verwenden, um den besten Zeitpunkt für die maximale PBH-Produktion zu gewährleisten.

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