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Freitag, 21.09.2018
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Verräterisches Leuchten

Wie das bakterielle Quorum Sensing entdeckt wurde

Die Kommunikation der Bakterien, das sogenannte Quorum Sensing, wurde in den 1970er Jahren zum ersten Mal beschrieben. Im Fokus der damaligen Forschungsarbeiten standen zwei marine Bakterienarten, Vibrio fischeri und Vibrio harveyi. Beide Arten sind biolumineszent, sie sind in der Lage, durch biochemische Reaktionen Licht zu produzieren. Dies tun diese Bakterien allerdings nur, wenn ihre Population eine bestimmte Zellzahl (das Quorum) erreicht. Aus dieser Beobachtung leitet sich der Begriff Quorum Sensing ab.

Der Tintenfisch Euprymna scolopes nutzt symbiotische Bakterien der Art Vibrio fischeri als Leuchtmittel.

Der Tintenfisch Euprymna scolopes nutzt symbiotische Bakterien der Art Vibrio fischeri als Leuchtmittel.

Ein Tintenfisch mit "Leih"-Leuchten


Besonders anschaulich wird dieser Vorgang bei der symbiotischen Interaktion zwischen V. fischeri und dem Zwergtintenfisch Euprymna scolopes. Der nachtaktive Tintenfisch verfügt über ein Leuchtorgan, das zur Kontrastverringerung in flachen Gewässern und damit als eine Art Tarnkappe dient. Allerdings leuchtet der Tintenfisch dabei gar nicht selbst, sondern benutzt V. fischeri zu diesem Zweck.

Um das Licht „an- und ausschalten“ zu können, bietet der Tintenfisch den Bakterien Zucker und andere Nährstoffe an, und im Gegenzug aktivieren die Bakterien bei einer hohen Zelldichte die Biolumineszenz. Am nächsten Morgen scheidet der Tintenfisch das Gros der Bakterien wieder aus, und der Vorgang wiederholt sich.

Die Kontrolle der Lumineszenz übernimmt bei dieser Symbiose ein Signalmolekül, Autoinduktor genannt, das von den Bakterien produziert wird. Während sich die Bakterien im Leuchtorgan des Tintenfischs vermehren, steigt die Konzentration des Signalmoleküls N-Acyl-Homoserin-Lacton an. Sobald die Schwellenwert-Konzentration erreicht ist, beginnen die Bakterien zu leuchten.

Quorum Sensing als Schalter: Die Zelldichte bestimmt das Verhalten der Bakterien.

Quorum Sensing als Schalter: Die Zelldichte bestimmt das Verhalten der Bakterien.

Zelldichte als Schalter


Somit kontrolliert das Quorum Sensing nicht nur die Produktion von Licht, sondern dient auch als chemischer Schalter, der das Timing dieser Symbiose bestimmt. Die Aufklärung der zugrunde liegenden molekularen Vorgänge dauerte viele Jahre und das Quorum Sensing fristete lange ein Nischendasein, weil angenommen wurde, dass nur wenige marine Bakterien zu diesem Prozess in der Lage sind.

Heute weiß man jedoch, dass eine Vielzahl von Mikroorganismen die Fähigkeit zur Kommunikation besitzen. Quorum Sensing ermöglicht es den einzelligen Bakterien, als Gruppe zu agieren und damit Funktionen wie etwa Pathogenität, Biofilmbildung oder Antibiotikaresistenz auszuüben, die normalerweise nur in höheren, multizellulären Lebewesen denkbar wären.
Kai Papenfort, Kristen Jung/ Bayerische Akademie der Wissenschaften
Stand: 24.11.2017
 
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