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Chronobiologie Bakterien mit Zeitgefühl

Redakteur: Christian Lüttmann

Abends müde werden und morgens im Idealfall kurz vor dem Wecker aufwachen – beim Menschen sorgt eine Art innere Uhr für einen regelmäßigen Tagesablauf. Doch wie ist das bei Bakterien? Bekannt ist, dass sich Photosynthese betreibende Mikroorganismen an den Tag-Nacht-Wechsel anpassen. Nun haben Münchener Forscher dieses „Zeitgefühl“ erstmals für eine andere Bakterienart nachgewiesen.

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Bacillus subtilis hat nach neusten Erkenntnissen eine Art innere Uhr (Symbolbild)
Bacillus subtilis hat nach neusten Erkenntnissen eine Art innere Uhr (Symbolbild)
(Bild: Prof. Á. Kovács, Technical University of Denmark, Thomas Bormans (Collage))

München – Biologische Rhythmen sind in der Natur weit verbreitet: Für Pflanzen und Tiere ist gut belegt, dass ihre Lebensfunktionen von einer circadianen Uhr gesteuert werden und in Zyklen synchron zur Umwelt ablaufen, etwa dem Tag-Nacht-Wechsel folgend. Gestellt wird die innere Uhr von so genannten Zeitgebern, beispielsweise dem Tageslicht. Auf diese Weise können Lebewesen sich besser an rhythmische Veränderungen der Umwelt anpassen und evolutionäre Vorteile gewinnen. Aber gilt das auch für einfachste Lebensformen wie Bakterien? Obwohl sie zwölf Prozent der gesamten Biomasse auf der Erde ausmachen, ist über die circadiane Uhr bei Bakterien nur wenig bekannt.

Lichtrezeptoren als Voraussetzung für innere Uhr

Überzeugende Hinweise auf bakterielle innere Uhren fanden Forscher bisher nur bei Photosynthese betreibenden Bakterien wie dem Cyanobakterium Synechococcus. „Dies erscheint auch logisch, da sie Licht zur Energiegewinnung benötigen“, sagt Prof. Martha Merrow, Leiterin der molekularen Chronobiologie an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU).

Ob auch nicht-photosynthetische Bakterien einen circadianen Rhythmus besitzen, untersuchten nun Wissenschaftler der LMU am Beispiel des Bodenbakteriums Bacillus subtilis. Dieses Bakterium besitzt Photorezeptoren für blaues Licht, die denjenigen ähneln, mit denen ein Pilz namens Neurospora crassa seine innere Uhr stellt.

Synchronisierte Genexpression

Die Chronobiologen verglichen mithilfe von Hochdurchsatz-Messungen die Genaktivität des untersuchten Bodenbakteriums – einerseits bei konstanter Dunkelheit und andererseits bei Zyklen von je zwölf Stunden Licht und zwölf Stunden Dunkelheit. Dabei konzentrierten sie sich auf zwei Gene: Das Gen ytvA, welches für den Fotorezeptor für blaues Licht codiert, und das Gen kinC, das über ein Enzym die Bildung von Biofilmen und Sporen beeinflusst.

Bacillus subtilis hat nach neusten Erkenntnissen eine Art innere Uhr.
Bacillus subtilis hat nach neusten Erkenntnissen eine Art innere Uhr.
(Bild: Prof. Á. Kovács, Technical University of Denmark)

„Unsere Analysen zeigen, dass sich die Expression beider Gene mit dem 24h-Hell-Dunkel-Zyklus synchronisiert und dann unter konstanten Bedingungen weiter oszilliert“, sagt Studienleiterin Merrow. „Wir haben damit zum ersten Mal nachgewiesen, dass freilebende nicht-photosynthetische Bakterien die Zeit messen können. Sie passen ihre molekularen Prozesse an die Tageszeit an, indem sie Licht und Temperatur als Zeitgeber nutzen.“

Die Wissenschaftler nehmen an, dass zahlreiche terrestrische Bakterien einen circadianen Rhythmus haben. Dies könnte auf viele grundlegende zelluläre Prozesse ein neues Licht werfen, die bisher nur unter statischen Bedingungen untersucht wurden. Die Ergebnisse könnten beispielsweise auch für biotechnologische oder medizinische Anwendungen interessant sein, in denen „zeitmessende“ Bakterien vorkommen.

Originalpublikation Zheng Eelderink-Chen, Jasper Bosman, Francesca Sartor, Antony N. Dodd, Ákos T. Kovács and Martha Merrow: A circadian clock in a nonphotosynthetic prokaryote, Science Advances, Vol. 7, no. 2, 8. Jan 2021; DOI: 10.1126/sciadv.abe2086

(ID:47062517)