Ludwig-Maximilians-Universität München
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Mikrobiologie

Das Ende des Egoismus

München, 04.01.2013

Kommunikation unter Kleinstlebewesen: Erst allmählich erkennen Forscher wie Kirsten Jung, dass Bakterien arbeitsteilig agieren und sogar rudimentäre Formen von Sozialverhalten ausbilden.

Leuchten nur im Pulk: Kirsten Jung hat an Kulturen von Vibrio harveyi untersucht, wie Bakterien ihren Stoffwechsel synchronisieren (Foto: Jan Greune)Es sind schon merkwürdige Gemeinschaften, zu denen sich Mikroorganismen in der  Umwelt zusammenrotten, mit einer Reinkultur aus dem Labor jedenfalls hat das wenig gemein. Und der wissenschaftlich neutrale Begriff Biofilm lässt wenig erahnen von der Formenvielfalt und der Komplexität des Zusammenlebens. Solche Filme, Schleimschichten oft, können überall an Oberflächen entstehen, die von Flüssigkeiten benetzt sind, aber auch auf Wasserspiegeln. Es sind nicht nur Urformen von Lebensräumen, sie sind auch heute noch überall verbreitet, rund 95 Prozent der Mikroorganismen leben so. Denn diese Form von Vergemeinschaftung bietet den Zellen eindeutige Vorteile und verbessert die Überlebenschancen.

Die Bewohner können untereinander beispielsweise einzelne Gene austauschen und sich so besser und schneller an veränderte Umweltbedingungen anpassen. Obendrein sind lebenswichtige Nährstoffe, die aus Naturstoffen wie Lignin oder Chitin erst herausgelöst werden müssen, in der zellulären Gemeinschaft besser verfügbar. Schließlich bietet der Biofilm, der aus einer wilden Mixtur von Zucker-, Eiweiß- und Fettsubstanzen sowie Wasser besteht, den Mikroorganismen Schutz – vor Antibiotika, ätzenden Chemikalien oder UV-Strahlen. Biofilme finden sich unter anderem in industriellen Anlagen oder Lüftungen. Und wenn es für den Menschen besonders schlecht läuft, besiedeln Bakterien so sogar medizinische Geräte, Implantate oder Gewebe.

Die Regeln der Gemeinschaft
Damit sich allerdings solch ein Zusammenleben organisieren kann, müssen sich die Mikroorganismen untereinander zumindest rudimentär verständigen können. Kirsten Jung, Professorin für Mikrobiologie am Biozentrum der LMU, hat es sich zum Ziel gesetzt, diese Grammatik zu entschlüsseln, wenn man so will, die Sprache der Bakterien zu verstehen – und damit Regeln der Gemeinschaft. Unter anderem finanziert die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) dazu einen größeren Forschungsverbund unter Jungs Leitung.

Seit rund 20 Jahren ist bekannt, dass Mikroorganismen über das so genannte „Quorum Sensing“ miteinander kommunizieren, eine Art biochemischer Dichtemessung: Eine Reihe von Stoffwechselprozessen läuft erst an, wenn die Populationsdichte hoch genug ist. Die Bakterienzellen schütten dafür Signalmoleküle aus, die von benachbarten Zellen erkannt und über Rezeptoren aufgenommen werden. Wenn die Konzentration dieser Signalstoffe und damit die Zellzahl einen Schwellenwert überschreitet, setzt eine positive Rückkopplung ein: Diese aktiviert über Rezeptoren bestimmte Gene. Die Zellen scheiden dann beispielweise Substanzen aus, die den Biofilm wachsen lassen, sie produzieren Licht oder Zellgifte – und das im Pulk, die Bakterien werden synchronisiert. Diese Eigenschaften bilden die Mikroorganismen eben nur in Gemeinschaft aus, für die einzelne Zelle wäre das zu energieaufwendig. Mittlerweile, sagt Jung, gibt es dafür den Begriff der Sozio-Mikrobiologie.

Eine Art Gedächtnis
Kirsten Jung will jedoch genau wissen, wie solche Kommunikationsprozesse funktionieren, wie Mikroorganismen in der Lage sind, auf äußere Bedingungen zu reagieren. Welche Reize nehmen sie wahr? Und wie werden solche Signale, etwa Temperaturveränderungen oder Schwankungen des pH-Wertes, in der Zelle verarbeitet? Dafür entschlüsselt Jung, die ursprünglich noch zu DDR-Zeiten in Leipzig Biochemie studiert hat, ganze Kaskaden von chemischen Reaktionen, analysiert die Antennenmoleküle. „Beispielsweise weiß man heute, dass Bakterien auch über eine Art Gedächtnis verfügen. Sie reagieren auf einen wiederholten Reiz schneller als auf unbekannte Umgebungsfaktoren“, sagt Jung. Sie sieht darin einfache Form der Intelligenz.

Kathrin Burger

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Verantwortlich für den Inhalt: Kommunikation und Presse