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Mittwoch, 17.10.2018
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Viele "Sprachen"

Die Signalmoleküle des Quorum Sensing

Warum Bakterien kommunizieren, lässt sich aus Beispielen leicht ableiten. Wie sie es tun, ist dabei oft weit komplizierter. Bakterien haben eine ganze Reihe an verschiedenen Signalmolekülen entwickelt, die in unterschiedlicher Weise interpretiert werden können.

Vom "Esperanto-Molekül" zum artspezifischen Signal


Einige Moleküle, wie beispielsweise der sogenannte Autoinduktor-2 (AI-2), werden von einer Vielzahl von Bakterienarten hergestellt und erkannt. Sie können somit als allgemeine Signalmoleküle bezeichnet werden. Andere Moleküle hingegen sind sehr speziell, und ihre Synthese und Erkennung ist auf wenige Bakterienarten beschränkt.

Schema des Quorum Sensing bei Vibrio harveyi. Die Signalmoleküle HAI-1, CAI-1 und AI-2 werden durch die Rezeptoren LuxN, CqsS und LuxPQ detektiert und bestimmen mittels über komplexe Signalketten die kollektive Verhaltensweisen der Bakterien.

Ein gutes Beispiel für die Komplexität dieser Interaktionen ist die bereits erwähnte Bakterienart Vibrio harveyi. Dieses Bakterium produziert und erkennt gleich drei Signalmoleküle: AI-2 gibt Auskunft über die Anzahl aller Bakterien in der Umgebung, CAI-1 ist typisch für die Bakterien der Gattung Vibrio und HAI-1 ist ein Art-spezifisches Signalmolekül. Die Kombination der drei Moleküle erlaubt es V. harveyi, nicht nur festzustellen, wie viele Bakterien sich in der Umgebung befinden, sondern auch Rückschlüsse zu ziehen, wie die Bakterienpopulation zusammengesetzt ist.

Komplexe Kommunikation


V. harveyi ist aber nur ein Beispiel unter vielen, denn die Bakterien haben unterschiedliche "Sprachen" entwickelt. In den letzten Jahren wurden rund 20 neue bakterielle Kommunikationsmoleküle identifiziert, wobei man davon ausgehen kann, dass es sich hier lediglich um die Spitze des Eisbergs handelt. Ihre chemische Diversität und das häufige Fehlen spezifischer Enzyme zur Synthese der Signalmoleküle verhinderten eine einfache Vorhersage beziehungsweise Suche nach diesen Molekülen.

Allgemein kann man sagen, dass Gram-positive Bakterien häufig über kleine Peptide kommunizieren, während sich Gram-negative Bakterien auf niedermolekulare Signalmoleküle spezialisiert haben. Diese Grenzen können jedoch leicht verschwimmen, da beispielsweise auch Gram-positive Bakterien AI-2 erkennen können. Einige bakterielle Biofilme könnten sogar elektroschemische Signale für ihre Kommunikation nutzen.

Des Weiteren ist häufig nicht klar, ob es sich bei einem Molekül um ein spezifisches Signalmolekül handelt oder lediglich um ein Abfallprodukt, das von den Bakterien in die Umgebung abgegeben wird und zusätzlich als Signalmolekül fungiert.

Wie Bakterien es schaffen, aus der Vielzahl der sie umgebenden Moleküle die relevanten Signale herauszufiltern und ob dabei bestimmte Informationen priorisiert werden, ist ein aktuelles Forschungsthema, von dem man sich wertvolle Aufschlüsse über die vielschichtigen Interaktionen bakterieller Lebensgemeinschaften erhofft.
Kai Papenfort, Kristen Jung/ Bayerische Akademie der Wissenschaften
Stand: 24.11.2017
 
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