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Wenn Bakterien der Gemeinsinn abhanden kommt

08.11.2005


Tübinger Max-Planck-Forscher beobachten erstmals unsoziales Verhalten unter Bakterien, die eigentlich in Gemeinschaften leben


Fruchtkörper von Myxococcus xanthus: Myxobakterien sind ein Paradebeispiel dafür, dass auch Bakterien miteinander kommunizieren. Myxobakterien leben in den oberen Bodenschichten, wo sie sich von organischem Material und von anderen Mikroorganismen ernähren. Gehen ihnen die Nährstoffe aus, bilden sie multizelluläre, mit Sporen gefüllte Fruchtkörper aus. Die Sporen sind gegenüber Nährstoffmangel und anderen chemischen und physikalischen Stressfaktoren resistent. Das hilft, das Überleben der Bakterien zu sichern. Bild: Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie



Organismen, die mit nahen Verwandten ihrer Art kooperieren, sind nicht unbedingt in der Lage, mit entfernt verwandten anderen Genotypen der selben Art zu harmonieren. Diese Nicht-Kooperation reicht von offener Feindschaft bis zu sozialer Ausbeutung. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie in Tübingen haben dieses unsoziale Verhalten jetzt erstmals auch bei unterschiedlichen Stämmen des in großen Gemeinschaften lebenden Bakteriums Myxococcus xanthus festgestellt. Hierbei konnten sie beobachten, wie sich bei Vermischung zwischen den verschiedenen Stämmen eine regelrechte "Hackordnung" ausbildete, einschließlich Kombinationen, bei denen sich ein Stamm auf Kosten eines anderes besser entwickelte als in Isolation. Diese Beobachtungen legen nahe, dass soziale Ausbeutung wesentlich häufiger unter Prokaryonten auftritt als bisher angenommen (PloS Biology, November 2005).



Bakterien werden als Einzeller definiert, obwohl sie in der Natur nicht unbedingt als einzellige Organismen funktionieren. Soziales Verhalten ist unter Bakterien sehr verbreitet und macht Sinn, wenn man überlegt, dass in nur einem Gramm Erde Milliarden von Bakterien - von denen etwa 1.000.000 Arten existieren -vorkommen. Bakteriengesellschaften koordinieren vielfältige komlexe Verhaltensabläufe, je nachdem, in welcher Dichte sie vorkommen: Wird eine kritische Masse an Individuen erreicht, geben einzelne Zellen Signalmoleküle ab, die das Verhalten der ganzen Bakterienkolonie steuern. Dieser Vorgang, quorum sensum genannt, steuert beispielsweise die Bildung von Biofilmen durch die Ausscheidung von Schleim und von Molekülen, die dabei helfen, dass sich die Bakterien an Oberflächen, wie Schiffsrümpfen oder Zähnen, festhalten können. Andere Arten wiederum sind in der Lage, so genannte Fruchtkörper zu bilden, um nahrungsarme Zeiten besser zu überstehen.

Eine Gruppe von Bakterien, die so genannten Myxobakterien, zeigen einige "soziale" Verhaltensweisen. So schwimmen sie in Schwärmen und jagen andere Bakterien ähnlich wie bei einer Treibjagd. Eine weitere Verhaltensweise: Hungern Zellen der Art Myxococcos xanthus, formen mehrere Hunderttausend Individuen einen Furchtkörper. Dieser Prozess wird durch Expression bestimmter Gene gesteuert, was zur Differenzierung und morphologischen Veränderung der Bakterien führt. Im Fruchtkörper selbst differenzieren stäbchenförmige Zellen in runde, stress-resistente Sporen aus, die die Hungersnot überdauern können. Doch nur ein Teil der Zellen einer Population verwandelt sich in diese Sporen, die anderen Zellen sterben als Fruchtkörper ab oder bleiben undifferenziert.

Wie weit geht ein solches "Sozialverhalten"? Eine Bakterienart kann viele Stämme mit unterschiedlichen Genotypen umfassen. Vermischt man zwei verschiedene Myxococcus-Arten miteinander, so finden Individuen der beiden Spezies wieder zusammen und Fruchtkörper werden nur von artgleichen Organismen gebildet. Allerdings dominiert davon eine Art, was die Sporenproduktion angeht. Die Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie wollten nun wissen, ob dieses Verhalten auch beobachtet werden kann, wenn man zwei Stämme einer Art miteinander vermischt.

In einer neuen Studie untersuchten Francesca Fiegna und Gregory Velicer das Verhalten von neun Stämmen des "hochsozialen" Bakteriums M. xanthus, die zuvor in verschiedenen Teilen der Erde isoliert worden waren. Um herauszufinden, wie sich die Stämme vermischt in Gemeinschaft verhalten, platzierten die Forscher unterschiedliche Stämme auf einem nahrungsarmen Kulturmedium und untersuchten alle möglichen Kombinationen zwischen den verschiedenen Stämmen. Nachdem die vermischten Kulturen fünf Tage hungern mussten, untersuchten die Autoren die Fruchtkörperbildung und die Sporenproduktion, und verglichen die Werten mit den aus Einzelhaltung gewonnenen Ergebnissen.

Dabei war die Form, Größe und Verteilung der Fruchtkörper immer anders in gemischten Kulturen als in Einzelkulturen: Meistens produzierten die Mischkulturen weniger Fruchtkörper. Auch die Sporenproduktion ging in den Mischkulturen zurück, es gab sogar Paare mit offensichtlich antagonistischem Verhalten, bei denen die Sporenproduktion um über 90 Prozent sank. Obwohl die meisten Stämme eher schwach auf die Vermischung reagierten, gab es auch solche, die sich gemischt besser vermehrten als allein. Das Experiment zeigte also, dass natürlich vorkommende soziale Bakterien in der Lage sind, ihre Nachbarn zu erkennen und sich dementsprechend verhalten.

Die Max-Planck-Forscher versuchten nun eine "Hackordnung" der dominanten Stämme, also jener, die die meisten Sporen bilden, zu erstellen, indem sie auch hier alle möglichen Mischkulturen untersuchten. Diese Experimente ergaben, dass es eine klare Hierarchie in der Fitness dieser Stämme gibt, was zeigt, dass die Stammvielfalt schnell verloren ginge, wenn alle neun Stämme das selbe "Revier" bewohnen würden, da ein oder mehrere dominante Stämme die anderen an der Vermehrung hindern würden. Obwohl diese Stämme sich nicht kooperativ in Mischkultur verhalten, ist es so, dass sich ein M. xanthus-Stamm aus sozial verschiedenen Subtypen zusammensetzt, die mit den früheren "Klongeschwistern" kooperieren, aber keine Skrupel haben, andere entfernter verwandte Stämme der gleichen Art auszutricksen.

Da M. xanthus über weite Strecken mit Hilfe von Wasser, Wind und über Vektoren, wie Tiere und Insekten, verbreitet wird, schließen die Autoren, dass die natürlich vorkommende Population durch antagonistisches Verhalten dezimiert werden kann. Das Ausmaß, mit dem es zu solchen natürlichen Vermischungen kommt, wird derzeit nochuntersucht. Mit Hilfe der Sequenzierung des kompletten Genoms und molekularbiologischen Methoden können die Wissenschaftler neue Erkenntnisse über dieses soziale Bodenbakterium gewinnen und seine Verteilung im Boden unter dem Einfluss von "Feinden" untersuchen. So geht es zum Beispiel darum, ob die beobachtete Fitness-Hierarchie typisch für entfernte oder lokale Bakterienstämme ist und was die molekularen Mechanismen der Unterwerfung bei Bakterien sind.

Originalveröffentlichung: Francesca Fiegna, Gregory J. Velicer
Exploitative and Hierarchical Antagonism in a Cooperative Bacterium

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

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