Biologie

Das soziale Leben der Bakterien

Bakterien haben ein konfliktreiches Sozialleben: Einige sorgen für das Gemeinwesen, andere nutzen es aus. Evolutionsbiologe und Förderungsprofessor Rolf Kümmerli untersucht, was Bakterien tun, um miteinander zu kooperieren und wie sie mit Schmarotzern umgehen. 

Marita Fuchs

Vermutet, dass Schmarotzer die evolutionäre Entwicklung von Bakterien anstacheln: Evolutionsbiologe Rolf Kümmerli. (Bild: Marita Fuchs)

Rolf Kümmerli ist fasziniert von Gruppendynamiken. Er beobachtete Primaten, analysierte das Sozialverhalten von Ameisen, und nun richtet er sein wissenschaftliches Augenmerk auf Bakterien. Doch wie interagieren Einzeller miteinander? «Sie kommunizieren und kooperieren, indem sie wachstumsfördernde Moleküle ausstossen, die wir messen können», sagt Rolf Kümmerli, einer von sieben Förderungsprofessuren des Jahres 2012 an der Universität Zürich.

Er arbeitet mit der Bakterienart Pseudomonas aeruginosa, einem Krankheitserreger, dessen Genom bereits entschlüsselt ist und deren wachstumsfördernde Moleküle sich gut beobachten lassen, weil sie unter dem Mikroskop blau fluoreszieren.

Gefährlicher Krankenhauskeim

Aufgrund seines aggressiven Wachstums ist das Bakterium Pseudomonas aeruginosa in Krankenhäusern gefürchtet. Es ist schwierig, ihm beizukommen, weil es gegen Antibiotika resistent ist und Desinfektionsmitteln ihm wenig anhaben können. Siedelt es sich nun zum Beispiel auf Brandwunden an, kann es einem Patienten schwer zu schaffen machen, vor allem wenn sein Immunsystem geschwächt ist.

Das Bakterium ist weit verbreitet, es kommt im Boden und im Wasser vor. Von Wissenschaftlern wird es auch als opportunistisch pathogen bezeichnet, das heisst, es kann lange auch ohne Wirt überleben; sobald es jedoch auf geschwächtes Gewebe – wie zum Beispiel offene Wunden – trifft, besiedelt es dieses und kann grossen Schaden anrichten.

Das Bakterium Pseudomonas aeruginosa ist auch bekannt als Krankheitserreger.  Seine wachstumsfördernden Moleküle lassen sich gut beobachten, weil sie blau fluoreszieren. (Bild: Rolf Kümmerli)

Den Eisenspeicher auffüllen

Speziell interessiert Kümmerli, wie die Bakterien das für sie lebenswichtige Eisen aufnehmen. Da Bakterien ohne Eisen nicht wachsen können, sondern sie Moleküle ab, die das Eisen des Wirts aus dem Gewebe lösen. Damit können sie wachsen und sich teilen. Neue Bakterien tuen es ihren Müttern nach, geben Moleküle ab und teilen sich. Mit der Zeit wachsen alle zu einer grossen Bakterienpopulation heran. Bei diesem Prozess werden toxische Substanzen freigesetzt, die den Wirt angreifen und bei ihm Entzündungen des Gewebes hervorrufen können.

Fitnessvorteil für Schmarotzer

Kümmerli hat nun im Labor etwas Interessantes beobachten können: Es gibt in jedem Bakterienstamm genetische Mutanten, die keine Eisen lösende Moleküle mehr ausstossen. Damit sparen sie Energie und übervorteilen quasi ihre Mit-Bakterien, die weiterhin diese Moleküle produzieren.

Diese «Schmarotzer» haben gegenüber den anderen Bakterien einen Fitnessvorteil, weil sie keine Moleküle produzieren müssen, das Eisen aber immer noch aufnehmen können: Sie haben den Nutzen, jedoch keine Kosten. Deshalb nehmen sie mit der Zeit überhand, was sich wiederum schlecht auf die Gesamtpopulation auswirkt. Zu viele Mutanten bedeuten eine Reduktion der Eisenaufnahme und letztendlich den Tod der Population.

Schlecht für die Bakterien, gut für den Wirt

Doch was für die Bakterien schlecht ist, ist gut für den Wirt. Könnte man nun das Wachstum der Mutanten im Wirtsgewebe fördern, wäre dies ein Ansatzpunkt, um Kranken mit einer P. aeruginosa-Entzündung zu helfen: Die Bakterienpopulation würde unter dem Übergewicht der egoistischen «Nutzniesser-Bakterien» zusammenbrechen.

Im Moment experimentiert Kümmerli mit einfachen Wirtstieren wie Insektenlarven und beobachtet den Verlauf der Infektion und das Verhalten der Bakterien.

Eine weitere Frage beschäftigt den Evolutionsbiologen: Warum gibt es überhaupt Schmarotzer? Warum wurden sie  im Laufe der Evolution nicht längst abgeschafft? Kümmerli vermutet, dass die Schmarotzer die evolutionäre Entwicklung der Bakterien anstacheln. Gibt es nämlich sehr viele Schmarotzer, müssen die anderen Bakterien darauf reagieren, beispielsweise ihre Kooperation verbessern, um ihr Bestehen zu sichern.

Rolf Kümmerli 

  • 2012- SNSF Professor at the Institute of Plant Biology, Department of Microbiology, University of Zurich
  • 2009-2012 Ambizione research fellow (SNSF) at the Department of Environmental Microbiology, Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology. Hosted by Prof. Martin Ackermann
  • 2007-2009 Marie Curie Research Fellow, Universities of Edinburgh and Oxford, with Prof. Stuart West.
  • 2006-2007 Postdoc (SNSF) at the Institute of Evolutionary Biology, University of Edinburgh, with Prof. Stuart West.
  • 2001-2006 PhD at the University of Lausanne, with Prof. Laurent Keller. Title of thesis: «When several queens rule: how polygyny affects social life in ants».
  • 2000-2001 Research Associate at the University of Zürich, with Prof. Robert Martin.
  • 1999-2000 MSc at the University of Zurich, with Prof. Robert Martin. Title of thesis: «Patterns of infant carriage by Barbary macaques in Gibraltar».
  • Marita Fuchs, Redaktorin UZH News

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