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Dem Zwergtintenfisch helfen Bakterien, dass er leuchtet.
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Dem Zwergtintenfisch helfen Bakterien, dass er leuchtet.

Immunologie

Wie Bakterien sich verständigen

  • Pamela Dörhöfer
    vonPamela Dörhöfer
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Michael Silverman und Bonnie Bassler erhalten den Paul Ehrlich- und Ludwig Darmstaedter-Preis. Ihre Erkenntnisse könnten helfen, eine Alternative zu Antibiotika zu finden.

Bakterien sind Teamplayer: Sie wissen, dass sie alleine nichts erreichen können und besitzen deshalb eine erstaunliche Kommunikationskultur, um gemeinsam ans Ziel zu kommen. Die Einzeller treten miteinander in Kontakt, sprechen sich ab und handeln erst dann, wenn sie eine Zahl erreicht haben, die Aussicht auf Erfolg verspricht. Da könnten sich manche Menschen noch etwas von den Mikroorganismen abschauen; auch wenn deren Wirken nicht immer segensreich erscheint. So gelingt die Synthese eines Gifts zum Angriff auf ein von ihnen heimgesuchtes Lebewesen oder das Bilden eines Schutzwalls vor dessen Immunsystem nur dann, wenn sich Milliarden von Bakterien zusammenschließen. Möglicherweise könnte ihnen das Geplauder aber auch eines Tages zum Verhängnis werden – dann, wenn es den Menschen gelingen würde, Medikamente zu entwickeln, die den Mikrobentalk unterbrechen.

Die Kommunikationsfähigkeiten der Bakterien entdeckt und entschlüsselt zu haben, ist ein Verdienst von Michael R. Silverman und Bonnie Bassler. Der Mikrobiologe, Emeritus des Agouron Institute in La Jolla, und die Mikrobiologin von der Princeton University (beide USA) erhalten dafür den Paul Ehrlich- und Ludwig Darmstaedter-Preis 2021. Er ist mit 120 000 Euro dotiert und gilt als eine der wichtigsten Auszeichnungen auf dem Gebiet der Immunologie, der Krebsforschung, der Hämatologie, der Mikrobiologie und der Chemotherapie.

Der mit 60 000 Euro dotierte Nachwuchspreis geht an die Entwicklungsbiologin Elvira Maas vom Life and Medical Sciences Institut der Universität Bonn. Sie zeigte, dass bei Mäusen spezialisierte Immunzellen aus dem Dottersack die Entwicklung der Organe begleiten und zeitlebens zu deren Gesunderhaltung beitragen. In der eingeschränkten Funktion dieser Immunzellen vermutet Elvira Maas eine Ursache für viele Erkrankungen.

Die Preisverleihung, die traditionell am 14. März, dem Geburtstag Paul Ehrlichs, in der Frankfurter Paulskirche gefeiert wird, fällt dieses Jahr wegen der Corona-Pandemie aus. Die Ehrung von Michael R. Silverman, Bonnie Basler und Elvira Maas soll im nächsten Jahr zusammen mit den Preisträgerinnen und Preisträgern 2022 nachgeholt werden.

„Silverman und Bassler haben gezeigt, dass kollektives Verhalten nicht nur die Regel unter vielzelligen Organismen ist, sondern auch unter Bakterien“, schreibt der Stiftungsrat der Paul Ehrlich-Stiftung in seiner Begründung: „Auch Bakterien verständigen sich untereinander, belauschen sich gegenseitig, treffen Absprachen und koordinieren damit ihr Verhalten.“ Mit dieser Entdeckung hätten Silverman und Bassler eine „Achillesferse“ erkannt, die neue Ansätze liefere, Mikroben zu bekämpfen. „Statt Bakterien mit Antibiotika zu töten, könnten nun Substanzen entwickelt werden, die die bakterielle Kommunikation unterbinden“, heißt es. Damit besitze die Forschung des Preisträgers und der Preisträgerin „eine erhebliche Relevanz für die Medizin“.

Bakterien sind Teamplayer, sie kommunizieren miteinander und mit ihrem Wirt.

Die Erkenntnisse kurz zusammengefasst: Die Kommunikation von Bakterien läuft über Signale, die sie aussenden und empfangen, um herauszufinden, ob sie allein auf weiter Flur und damit chancenlos oder ob weitere Artgenossen vor Ort sind. Gleichzeitig sondieren die Mikroorganismen, ob die Angehörigen anderer Arten anwesend sind – und wer das Sagen hat. Die Bakterien nutzen dafür bestimmte Sprachmoleküle, deren Konzentration zunimmt, je mehr von einer Art sich an einem Ort tummeln. Überschreitet die Konzentration einen Schwellenwert, so setzt ein gruppenspezifisches Verhalten ein, das der Bakteriengemeinschaft neue Eigenschaften verleiht. Dieses Phänomen gibt es, wie man heute weiß, in der gesamten Welt der Bakterien. Es wird als Quorum Sensing bezeichnet.

Michael R. Silverman entdeckte in den 1980ern das erste Quorum-Sensing-System bei dem Bakterium Vibrio fischeri, dessen Fähigkeiten einem kleinen Tintenfisch zugute kommen. Es gelang Silverman, die Information für die Bildung des Sprachmoleküls Autoinducer-1 und dessen Rezeptor auf andere Bakterien zu übertragen und damit genetisch zu definieren. Das Bakterium Vibrio fischeri sorgt mit diesem Sprachmolekül dafür, dass ein Zwergtintenfisch nachts blau-grün leuchtet und dadurch im Mondlicht keinen verräterischen Schlagschatten im flachen Meerwasser wirft, der Fressfeinde auf ihn aufmerksam machen könnte. Alleine kann ein einziges Vibrio fischeri seinen Wirt allerdings nicht beschützen, sondern nur in Gemeinschaft. Gemessen wird die Zahl der Bakterien über die Freisetzung des Sprachmoleküls Autoinducer-1, dessen Konzentration direkt mit der Zahl der anwesenden Bakterien im Leuchtorgan des Tintenfischs korreliert. Wird ein bestimmter Schwellenwert – ein „Quorum“ – erreicht, geht das Licht an und der Tintenfisch leuchtet.

Bonnie Bassler widmete sich in den 1990er-Jahren der Kommunikation des Bakteriums Vibrio harveyi und stieß dabei auf ein neues Sprachmolelkül, das sie Autoinducer-2 nannte.

Bassler stellte fest, dass dieses Molekül einen anderen Nachrichtenwert hat. Es informiert nicht über die Größe der eigenen Sippschaft, sondern über die der Konkurrenz. Denn Bakterien leben selten in Reinkultur zusammen wie im Leuchtorgan des Zwergtintenfischs, sondern eher in Gemeinschaften – etwa im Darm oder auf der Haut. Autoinducer-2 unterrichtet die Bakterien über die Anzahl anderer Arten vor Ort. Damit, so der Stiftungsrat, sei gezeigt worden, dass Bakterien viele Sprachen beherrschen und sogar zwischen Freund und Feind unterscheiden können.

Heute weiß man, dass Hunderte solcher Sprachmoleküle und Quorum-Sensing-Systeme existieren. Und die Bakterien sind nicht alleine: Bonnie Basler wies in den vergangenen Jahren nach, dass sich auch Viren und die Zellen der Wirtsorganismen in das Palaver einklinken und es für ihre Zwecke nutzen. So fand die Wissenschaftlerin heraus, dass der Schleim des menschlichen Darms von den Bakterien des dort heimischen Mikrobioms genutzt wird, um ein Sprachmolekül zu bilden, das krankmachende Bakterien auf Distanz hält. Ein Bündnis sozusagen über Speziesgrenzen hinweg.

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