Bakterien: Mikroben bilden komplexe Strukturen wie bei Tieren

Bakterielle Biofilme, schleimige Ansammlungen von Mikroben, können konzentrische Ringe entwickeln, die Zellen mit unterschiedlichen biologischen Eigenschaften enthalten

6. Januar 2022

Bacillus subtilis, ein Bodenbakterium, kann konzentrische Ringe bilden, wenn es einen Biofilm bildet

Kwang-Tao Chou

Bakterielle Biofilme enthalten eine Ebene der strukturellen Organisation, von der wir dachten, dass sie nur für Pflanzen und Tiere gilt.

Biofilme, schleimige Anhäufungen von Mikroorganismen wie Bakterien und Pilzen, galten lange Zeit als biologisch einfach mit nur einer primitiven Strukturorganisation. Dies steht im Gegensatz zu vielen vielzelligen Organismen, einschließlich Tieren, bei denen Zellen zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten während der Entwicklung des Körpers zu verschiedenen Formen heranwachsen können, um komplexe und vielfältige biologische Strukturen zu erzeugen.

Jetzt, Gürol Süel an der University of California, San Diego, und seine Kollegen haben herausgefunden, dass bakterielle Biofilme weniger einfach sind, als wir dachten. Die Forscher fanden heraus, dass die Biofilme beim Wachsen ringförmige Strukturen bilden und die Nährstoffe in ihrer Umgebung verbrauchen. Wenn die Nährstoffversorgung abnimmt, werden bestimmte Zellen in ihrer Funktion im Wesentlichen eingefroren, da eine Welle der Nährstofferschöpfung über sie hinweggespült wird. Dies ist als „Uhr und Wellenfront“ bekannt und wurde bisher nur bei Tieren und Pflanzen beobachtet.

Süel und seine Kollegen machten die Entdeckung während eines Experiments zur Untersuchung der Reaktion von a Bacillus subtilis Biofilm zu einem Mangel an lebenswichtigem Stickstoff. Dies führt typischerweise dazu, dass sich Bakterienzellen verändern und in einer Anpassung, die Sporulation genannt wird, widerstandsfähiger werden.

Aber anstatt dass sich alle Zellen im Biofilm auf die gleiche Weise anpassen, konnten die Forscher zeigen, dass stressmindernde Gene, die vom Biofilm produziert werden, nur einige Zellen zur Anpassung veranlassten und konzentrische Ringe durch den ungefähr kreisförmigen Biofilm bildeten. Diese baumringartige Struktur stimmt mit einem „Uhr- und Wellenfront“-Mechanismus überein (siehe Bild oben).

„Wenn wir nur daran denken, [biofilms] als Klumpen von Bakterienzellen, selbst wenn sie einer Spezies angehören, irren wir uns“, sagt Süel. „Sie sind hochgradig organisiert, und sie sind auf sehr nicht triviale Weise organisiert. Diese Organisation scheint an das zu erinnern, was Wirbeltiere und Pflanzen während der Entwicklung gemacht haben, also muss es da eine Verbindung geben.“

Obwohl sich die Forschung nur auf die Beobachtung der Muster konzentrierte, schlägt Süel vor, dass die Muster der Biofilm sein könnten, der seine widerstandsfähigen Zellen diversifiziert, um zu versuchen, seine Überlebenschancen zu erhöhen.

Während sich in den letzten Jahren gezeigt hat, dass Biofilme komplizierter sind und Formen des Gedächtnisses und der Fernkommunikation ermöglichen, könnte die Entdeckung komplexer Strukturen die angenommene Kluft zwischen einfachen einzelligen Organismen und komplexen, vielzelligen Organismen in Frage stellen.

„Diese Debatte wird durch diese Studie neu entfacht“, sagt Tanmay Bharat an der Universität Oxford. „Aus Sicht der evolutionären Zellbiologie wäre es interessant zu untersuchen, wo die Unterschiede liegen. Was definiert einen echten vielzelligen Organismus?“

Biofilme sind auch für eine Vielzahl von Naturphänomenen verantwortlich, sowohl für gute als auch für schlechte. Sie können in der Wasserfiltration und zur Korrosionsprävention eingesetzt werden, sind aber auch die Hauptursache für klinische Infektionen und in einigen Fällen stark korrosiv. Das Verständnis der wahren zugrunde liegenden Struktur dieser Bakterienfilme könnte die Art und Weise verändern, in der sie verwendet und abgeschwächt werden.

„Man kann nicht einfach davon ausgehen, dass ein Ansatz oder ein chemischer Wirkstoff ausreicht, denn der Biofilm ist eine komplexe Gemeinschaft“, sagt Süel.


Source: New Scientist – Home by www.newscientist.com.

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