Biologie Zwei Signalmoleküle bestimmen Verhalten von Bakterien

Basler Forscher haben einen Mechanismus entdeckt, mit dem sich Bakterien an sich verändernde Umweltbedingungen anpassen können. Demnach bestimmen zwei sich konkurrierende Signalmoleküle, ob sich ein Bakterium vermehrt oder in den Ruhemodus wechselt.

Mit den fünf Sinnesorganen nehmen Menschen ihre Umgebung wahr. Auch Bakterien besitzen Sensoren, mit denen sie ihre Umwelt erfassen und etwa bei Nährstoffmangel eine Pause bei der Zellteilung einschalten können. Eine wichtige Rolle hierbei spielen die zwei chemisch verwandten Signalmoleküle namens ppGpp und c-di-GMP, die miteinander um eine bestimmte Schaltzentrale in der Zelle wetteifern.

Während ppGpp bei Nährstoffmangel als Alarmsignal wirkt und das Zellwachstum stoppt, gibt c-di-GMP grünes Licht für die Zellteilung. Die genauen Mechanismen dieser Botenstoffe untersuchten Basler Forschende im harmlosen Süsswasserbakterium Caulobacter crescentus. Dieses Bakterium kommt sowohl als schwimmende Form vor, die sich nicht teilen kann, als auch als vermehrungsfähige Form, die sich an Oberflächen heftet.

Zellschäden verhindern

Die Information über die Konzentration der zwei Signalmoleküle fliesst an einem Protein zusammen, das als Schaltzentrale fungiert und über das Wachstum und die Lebensform des Bakteriums entscheidet.

«In schwimmenden Bakterien, bei denen überwiegend ppGpp vorkommt, ist das Protein angeschaltet, also aktiv», sagte Urs Jenal vom Biozentrum der Uni Basel gemäss einer Mitteilung der Hochschule. Dadurch läuft die Zuckerverbrennung auf Hochtouren und die dabei entstehenden schädlichen Sauerstoffradikale werden effektiv entsorgt, um Zellschäden zu verhindern.

Klebendes Bakterium

Wenn hingegen ausreichend Nährstoffe vorhanden sind, steigt der Spiegel von c-di-GMP kontinuierlich an und schaltet das Protein ab. «Die Zeichen stehen nun auf Wachsen und Sesshaft werden», erklärte Jenal. Dank der Produktion eines Klebers kann sich das Bakterium nun an Oberflächen heften.

Gemäss den Forschenden könnte der im Fachmagazin «Nature Microbiology» beschriebene Mechanismus auch bei Krankheitserregern eine wichtige Rolle spielen. Denn die beiden Signalmoleküle beeinflussen die Virulenz, die Resistenz gegenüber Antibiotika oder die Fähigkeit der Bakterien in ihrem Wirt zu überdauern.

https://www.nature.com/articles/s41564-020-00809-4