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22.08.08 Selbstopferung bei Bakterien im Dienste der Population

Phänotypische Bistabilität von Salmonellen

Selbstzerstörung für gemeinsame Sache

Individuen einer Bakterienpopulation können für andere ihr Leben einsetzen, um ein grösseres gemeinsames Gut zu erreichen. ETH-Biologen haben ein neues biologisches Konzept beschrieben, das auf dem Prinzip des „phänotypischen Rauschens“ beruht.

Peter Rüegg (ETHZ)

Salmonellen im Mausdarm: Die Bakterien sind grün, die Zellkerne der Mauszellen blau; rot ist der Aktin-Bürstensaum des Dünndarms.
Quelle: Bärbel Stecher / ETH Zürich

Salmonellen-Erkrankungen sind sehr unangenehm bis gefährlich. Die Bakterien gelangen mit verunreinigtem Essen – Eierspeisen oder Pouletfleisch zum Beispiel - in den Magen-Darm-Trakt, wo sie Infektionen auslösen, die zu tagelangem Erbrechen und Durchfall führen. Hinter dieser Infektion steckt ein neues biologisches Konzept, das ETH-Biologen aus den Gruppen von Martin Ackermann und Wolf-Dietrich Hardt in Zusammenarbeit mit Michael Doebeli von der University of British Columbia Vancouver diese Woche in „Nature“ zum ersten Mal beschreiben.

Salmonellen teilen sich rasch und bilden genetisch identische Abkömmlinge, klonen also einen bestimmten Genotyp. Dabei werden die in der Mutterzelle vorhandenen Proteine auf die Tochterzellen verteilt. Diese Verteilung ist jedoch dem Zufall überlassen und ist keinesfalls immer 50:50. Das heisst also, dass die Zellen, die zwar am gleichen Ort unter gleichen Bedingungen leben und identische Gene haben, völlig verschiedene Eigenschaften haben können, demnach phänotypisch unterschiedlich sind.

Mutation nicht einziger Zufallsprozess

Bei Salmonellen etwa bilden sich zwei verschiedene Typen von Zellen. „Dahinter stecken nicht etwa Mutationen, sondern molekulare Zufallsprozesse“, betont Martin Ackermann. Man habe in den letzten Jahren immer stärker realisiert, dass Mutationen nicht die einzigen Zufallsprozesse in einer Zelle seien, die einen grossen Einfluss darauf haben, was mit einem Individuum geschehe.

Erhalten Zellen durch diese phänotypische Bistabilität eine andere biologische Funktion? Das sei die Frage, welche immer mehr Biologen zu beantworten versuchen, sagt Ackermann. Die Antwort zielte bis anhin meist in die gleiche Richtung: es ist eine Versicherung gegen rasch wechselnde Umweltbedingungen. Wird eine Umgebung zum Beispiel rasch sauer, das heisst, der pH-Wert sinkt, sterben die meisten Zellen, ein paar wenige würden aber überleben, weil ihr Phänotyp quasi schon angepasst war.

Zwei Phänotypen, gemeinsames Vorgehen

Ackermann, Hardt und Doebeli haben nun aber eine neue Erklärung für dieses Phänomen gefunden. Die beiden Phänotypen der Salmonellen teilen sich die Arbeit und erreichen dadurch etwas, das ein Phänotyp allein nicht schaffen würde. „Das ist eine fundamental andere Erklärung und setzt voraus, dass die einzelnen Phänotypen interagieren und sich gegenseitig beeinflussen.“

Unter normalen Bedingungen können die Salmonellen im Darm nur schlecht wachsen. Lösen sie aber eine Entzündungsreaktion, sprich den berüchtigten Durchfall, aus, wird die Darmflora geschwächt und die Salmonellen können sich so extrem effizient vermehren. Die Entzündung wird ausgelöst, da Salmonellen ins Darmgewebe eindringen können. Dies gelingt ihnen nur mit einer speziellen Arbeitsteilung, die darauf beruht, dass sich bei der Zellteilung zufällig zwei Phänotypen ausbilden.

Aufopfernde Eindringlinge

Die Zellen des einen Typs lassen sich ins Darmgewebe einschleusen, lösen dort die Entzündungsreaktion aus und verlieren dabei ihr Leben. Durch die Zerstörung der normalen Darmflora erhält der zweite Typ von Salmonellen, die im Darmlumen warten, eine Chance zuzuschlagen. Sie können sich ungehindert vermehren, ehe der Körper nach Tagen auch diese Infektion in den Griff kriegt.

„Diese Arbeitsteilung ist extrem, einer der beiden Parteien verliert dabei das Leben“, sagt Ackermann. Dies funktioniere nur deshalb so gut, weil die Salmonellentypen genetisch identisch sind. Jede Zelle muss sich quasi entscheiden, welcher Phänotyp sie werden will. Salmonellen, die ins Darmgewebe eindringen, begehen einen selbst zerstörerischen Akt für ein grösseres gemeinsames Gut, indem sie die Lebenssituation der draussen Gebliebenen verbessern. Wären sie genetisch unterschiedlich, würde sich der aufopfernde Typ relativ rasch selbst ausrotten. Die phänotypische Bistabilität bietet eine überraschende Lösung für dieses evolutionsbiologische Dilemma. Wie viele Zellen sich aufopfern, ist wahrscheinlich ein genetisch kodiertes Merkmal, für einen gegebenen Genotypen ist dieses Verhältnis immer gleich. Das heisst, dass ein zweiter Stamm von Salmonellen vielleicht weniger erfolgreich ist, weil er zu wenige selbstzerstörerische Angreifer ausbildet.

Zu viele Klone verderben Mutante

Die Biologen haben diese neue Theorie erst in einem mathematischen Modell geprüft und später an Labormäusen getestet. Dies zeigte Ackermann und Kollegen, dass ihre Rechnung im wahrsten Sinn des Wortes aufgegangen ist. Mit dem Modell haben die Forscher ausgerechnet, wie sich die Bereitschaft zur Aufopferung im Lauf der Zeit entwickelt. Eigentlich erwartet man, dass sich Mutanten durchsetzen, bei den sich ein Teil der Zellen aufopfern. Solche Mutanten können den Wirt besser infizieren als Genotypen ohne Aufopferungsbereitschaft.

Ist der Wirt nur von einem Klon infiziert, dann entwickelt sich die Eigenschaft der Aufopferung in der Tat leicht. Sobald aber mehrere Genotypen einen Wirt infizieren, dann können Klone mit einer hohen Aufopferungsbereitschaft nicht bestehen; sie werden verdrängt von Klonen, welche von der Aufopferung anderer profitieren, ohne selber etwas beizutragen. Die Aufopferungsbereitschaft als genetisches Merkmal wird schliesslich wieder zurückgehen. „Eine selbst zerstörerische Kooperation ist nur dann möglich, wenn möglichst wenige Genotypen denselben Wirt infizieren“, schliessen die Forscher.

Verbreiteter Mechanismus

Aufopferung von Phänotypen lässt sich auch bei anderen Krankheitserregern wie Clostridien und Streptokokken beobachten. „Phänotypisches Rauschen ist wahrscheinlich ein häufiges Phänomen“, vermutet Ackermann. Viele Bakterien stellen gegen ihre Wirte Gifte her, die sie nur in die Umgebung entlassen können, wenn sie sich selbst opfern, weil sie das Gift ansonsten nicht aus der Zelle hinausbekommen würden. Jede Zelle trifft deshalb eine Entscheidung: Gift und Tod oder kein Gift.

Martin Ackermann betont, dass es ohne die Zusammenarbeit von drei Spezialistengruppen nicht möglich gewesen wäre, diese Theorie so umfassend zu untersuchen. Hardts Gruppe ist auf Salmonellen spezialisiert, Doebeli ist Mathematiker und Theoretischer Biologe. Ackermanns Gruppe interessiert sich für phänotypischen Bistabilität.

Quellen:

ETH Life

Self-destructive cooperation mediated by phenotypic noise
M. Ackermann, B. Stecher, N. E. Freed, P. Songhet, W.-D. Hardt, M. Doebeli, Nature 2008, DOI: 10.1038/nature07067

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Selbstopferung bei Bakterien im Dienste der Population
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2008aug/salmonellen.shtm)

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