Fachinformationen - Bakterien: Kommunikation

Bakteriensprache oder soziales Networking unter Mikroben

Bakterien kommunizieren untereinander. Das ist seit dreißig Jahren bekannt, aber es brauchte Jahrzehnte bis das Thema in größerem Umfang von der wissenschaftlichen Gemeinschaft aufgegriffen wurde. Die Verständigung der Bakterien erfolgt über chemische Signalstoffe und kann genutzt werden, um „Gruppenaktivitäten“ wie die Bildung von Biofilmen zu koordinieren. Diese Art der Kommunikation unter Bakterien wird als „Quorum sensing“ bezeichnet. Wenn Quorum sensing-Moleküle innerhalb einer Gruppe von Bakterien eine bestimmte Konzentration erreichen, so führt dies zu einer Reaktion der Gesamtheit. Diese Reaktion kann zum Beispiel in der Bildung von Leuchtstoffen bestehen. Dies ist sehr gut bei dem Mikroorganismus Aliivibrio fischeri (früher: Vibrio fischeri) untersucht. Insgesamt ermöglichen solche Reaktionen der Bakterienpopulation als Ganzes auf bestimmte Umwelteinflüsse zu reagieren, in einer Weise, die weit über das hinaus geht, was dem einzelnen Bakterium ansonsten möglich wäre. 

Darüber hinaus können Bakterien auf Kontakt reagieren und einen Faktor bilden, von dem man bisher annahm, dass er fremde Bakterien vertreiben sollte (contact--dependent growth inhibition system, CDI) (Diner 2012). Offenbar kommunizieren und kooperieren Bakterien mit diesem System, um z.B. geeignete Biofilme bilden zu können. (Mehr)

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Bildquelle: BNI}

Schwarmverhalten
Obwohl wir einzelnen Bakterien keine besondere Intelligenz zugestehen, sind sie in der Lage auf einfache Umweltreize zu reagieren. Ist nun unter vielen Milliarden Organismen jeder einzelne für sich in der Lage auf seine Umwelt zu reagieren und steht auch in Verbindung mit seinen Nachbarorganismen, so kann daraus etwas resultieren, was von außen wie intelligentes Verhalten erscheint. Die Möglichkeiten eines solchen „Schwarms“ sich gegenüber der Umwelt zu behaupten, übersteigen die Möglichkeiten eines einzelnen Bakteriums bei Weitem. Ähnliche Mechanismen sind auch für andere wenig intelligente „Elemente“ wie Tumorzellen, Ameisen und sogar für mit Eisen beschichtete Partikel beschrieben worden.

Konkurrenz

Noch komplexer wird es, wenn man von gezielten Experiment unter Laborbedingungen zu den Verhältnissen im realen Leben übergeht. Hier existiert ein buntes Gemisch unterschiedlicher Populationen von Mikroorganismen und Körperzellen, die alle miteinander in Wechselwirkung stehen und mehr oder weniger miteinander konkurrieren oder kooperieren.

Das Spektrum der Kommunikation unter Bakterien spielt sich in allen möglichen Schattierungen zwischen folgenden Polen ab

• Feindseelige Kriegsführung: der Vorteil des einen ist der Nachteil des anderen
• Kommensuales Zusammenleben: eine beiderseitige Toleranz, die sich schnell ändern kann
• Symbiose: enge Partnerschaft zum gegenseitigen Nutzen
• Endosymbiose: untrennbare Partnerschaft zum gegenseitigen Nutzen, die auf die nächste Generation übertragen wird

Einige Bakterien bekämpfen sich mit „chemischer Kriegführung“, Tricks und Täuschungen oder wehren sich gegen eine ihnen gegenüber feindlich gesinnte Umwelt. Ein weiterer Trick unter konkurrierenden Bakterienpopulationen kann darin bestehen, dass Keim A einen Stoff produziert, der bei Keim B eine aufwendige aber nutzlose Reaktion auslöst. Also einen sinnlosen Verbrauch von Ressourcen bewirkt. Hiermit verschafft sich Keim A gegenüber Keim B einen Überlebensvorteil. Hat sich der Existenzkampf einmal zugunsten einer friedlichen Koexistenz eingependelt, besteht zumindest eine Chance für Kooperationen bis hin zur Entwicklung einer symbiotischen Beziehung von der beide Parteien profitieren. In gentechnischen Versuchen werden Bakterien so verändert, dass sie sich in der Nähe schädlichen Bakterien ansammeln sollen, um dort Stoffe freizusetzen, die feindliche  Bakterien trotz deren Biofilms zerstören ("Killerbakterien").

Andererseits kooperieren Bakterien in vielfältiger Weise nicht nur untereinander, sondern ebenso effektiv mit den Zellen ihrer Wirte.

Besonders erstaunlich ist, dass Bakterien, die sich völlig fremd sind, und im Menschen weit entfernt voneinander in der Lunge und im Darm leben (Klebsiellen und Enterobakterien), sich über winzige Plasmaverbindungen (Nanobrücken) Botenstoffe austauschen können, die ihnen einen Schutz gegenüber Antibiotika vermitteln. Dazu müssen sie sich natürlich irgendwo begegnen können: in medizinischen Einrichtungen zum Beispiel.

Mehr

• Menschliches Mikrobiom
• Antibiotikaresistente Bakterien
• Hospitalkeime

Literatur und Sonstiges

• Atkinson S, Williams P. Quorum sensing and social networking in the microbial world. J R Soc Interface 2009; 6: 959-978.
• Diggle SP, Gardner A, West SA, Griffin AS. Evolutionary theory of bacterial quorum sensing: when is a signal not a signal. Phil Trans R Soc B 2007; 362, 1241-1249.
• Fuqua C, Greenberg EP. Listening in on bacteria: Acyl-Homoserine Lactone Signalling. Nat Rev Mol Cell Biol 2002; 3: 685-95.
• Diner EJ et al.: Identification of a target cell permissive factor required for contact-dependent growth inhibition (CDI), Genes Dev. 2012 26: 515-525

Link

• How bacteria communicate (Video Vortrag)

 

 

MG, HEF, 08.10.2018