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Chemische Kommunikation David gegen Goliath: Bakterium „besiegt“ Grünalge mit tödlichem Giftcocktail

| Autor/ Redakteur: Dr. Ute Schoenfelder* / Dr. Ilka Ottleben

Wenn die Grünalgen Chlamydomonas reinhardtii auf Bakterien der Art Pseudomonas protegens treffen, ist ihr Schicksal besiegelt. Die nur etwa zwei Mikrometer großen Stäbchen umzingeln die etwa fünf Mal größeren Algen und attackieren sie mit einem tödlichen Giftcocktail. Den chemischen Mechanismus hinter dem effektiven Beutezug der Bakterien haben Jenaer Forscher jetzt aufgedeckt.

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Agarplatte mit Grünalgen, auf die Bakterien (Mitte) bzw. Bakterienextrakte aufgebracht sind. Im Zentrum ist deutlich ein gehemmtes Algenwachstum als Halo erkennbar.
Agarplatte mit Grünalgen, auf die Bakterien (Mitte) bzw. Bakterienextrakte aufgebracht sind. Im Zentrum ist deutlich ein gehemmtes Algenwachstum als Halo erkennbar.
(Bild: Jan-Peter Kasper)

Jena – Es ist ein schauriges Schauspiel, das sich Prasad Aiyar beim Blick durchs Mikroskop bietet. Der aus Indien stammende Doktorand, der zuvor für sein Masterstudium in „Molecular Life Sciences“ nach Jena gekommen ist, beobachtet auf einem Objektträger Mikroalgen der Art Chlamydomonas reinhardtii. Die rund zehn Mikrometer großen, oval geformten Einzeller tragen jeweils zwei Geißeln, mit deren Hilfe sie munter hin- und herschwimmen. Bis zu dem Moment, in dem Prasad Aiyar mit einer Pipette einen Tropfen einer Bakterienlösung dazu gibt. Die wesentlich kleineren Bakterien sammeln sich zu Schwärmen, die die Algen einkesseln. Nur anderthalb Minuten später verharren die Algen vollkommen reglos und beim genauen Betrachten ist zu erkennen, dass sie entgeißelt wurden. Dies verdammt sie zur Bewegungslosigkeit. Anschließend verformen sich die grünen Einzeller und sind nicht mehr in der Lage, sich zu vermehren.

Warum die Bakterien eine solch verheerende Wirkung auf die Grünalgen haben, konnten Jenaer Forschende jetzt aufdecken. Wie die Teams aus Botanikern und Naturstoffchemikern um Prof. Dr. Maria Mittag und Dr. Severin Sasso von der Friedrich-Schiller-Universität Jena sowie Prof. Dr. Christian Hertweck vom Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie - Hans-Knöll-Institut (HKI) - in Nature Communications zeigen, spielt dabei eine chemische Substanz die zentrale Rolle.

Zyklisches Lipopeptid vermittelt „Giftwirkung“ auf Grünalgen

Orfamid A, so heißt die Substanz, ist ein zyklisches Lipopeptid, das die Bakterien zusammen mit anderen chemischen Verbindungen freisetzen. „Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass Orfamid A auf Kanäle in der Zellmembran der Algen wirkt, was zur Öffnung dieser Kanäle führt“, erläutert Dr. Severin Sasso das Ergebnis der Jenaer Studie. „Das führt zu einem Einstrom von Kalziumionen aus der Umgebung in das Zellinnere der Algen“, führt der Leiter der Arbeitsgruppe für Molekulare Botanik aus. Eine rasche Änderung der Konzentration von Kalziumionen ist ein verbreitetes Warnsignal für viele Zelltypen, das zahlreiche Stoffwechselwege reguliert.

„Um die Veränderung des Kalzium-Spiegels in der Zelle beobachten zu können, haben wir das Gen für ein Photoprotein in die Grünalgen eingebracht, welches bei einer Erhöhung des Kalzium-Niveaus ein Aufleuchten verursacht. Somit kann man die Menge des Kalziums über das Leuchten messen“, erklärt Prof. Mittag, Professorin für Allgemeine Botanik. In manchen Fällen führen die Änderungen des Kalziums zu Änderungen in der Bewegungsrichtung, wie zum Beispiel nach Lichteinfall. In anderen Fällen, wie nach der Bakterienattacke verursachen sie ein Abfallen der Geißeln.

Chemische „Sprachforschung“

Die Teams haben zudem zeigen können, dass die Bakterien die Algen als Nährstoffquelle anzapfen können, wenn es ihnen an Nährstoffen mangelt. „Wir haben Hinweise, dass auch weitere Substanzen aus dem Giftcocktail, den die Bakterien freisetzen, dabei eine Rolle spielen“, so Maria Mittag. Diese wolle man nun, erneut in Zusammenarbeit mit den Teams von Prof. Hertweck und Dr. Sasso, ebenfalls aufspüren, um die chemische Kommunikation zwischen Algen und Bakterien genau zu verstehen.

Der chemischen „Sprachforschung“ zwischen Mikroorganismen und ihrer Umgebung haben sich zahlreiche Forschergruppen im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) „ChemBioSys“ verschrieben. Mikrobielle Artengemeinschaften kommen in nahezu jedem Lebensraum der Erde vor. „Dabei werden sowohl die Artenzusammensetzung als auch die Wechselbeziehungen von individuellen Organismen einer oder mehrerer Spezies durch chemische Mediatoren reguliert“, macht Prof. Hertweck deutlich, der Sprecher des SFBs ist und am HKI die Abteilung Biomolekulare Chemie leitet.

Ziel des interdisziplinären Forschungsverbundes ist es, die fundamentalen Kontrollmechanismen in den komplexen Biosystemen aufzuklären, die das gesamte irdische Leben prägen. „Wir wollen die Mechanismen verstehen lernen, über die mikrobielle Gemeinschaftsstrukturen entstehen und ihre Vielfalt erhalten bleibt.“ Denn davon hängen essentielle Lebensgrundlagen nicht zuletzt des Menschen ab: wie Nahrung oder Atemluft.

Wichtige Nahrungsgrundlage und Fixierer von Kohlendioxid

Das gilt auch für Mikroalgen wie Chlamydomonas reinhardtii. Solche Photosynthese-betreibenden Kleinstlebewesen (Phytoplankton) tragen zu rund 50 Prozent zur Fixierung des Treibhausgases Kohlendioxid bei und liefern als Nebenprodukt der Photosynthese den für uns lebensnotwendigen Sauerstoff. Mikroalgen, die im Süßwasser, nassen Böden oder den Weltmeeren vorkommen, bilden zudem eine wichtige Grundlage für die Nahrungsketten, besonders in aquatischen Systemen. So ernährt sich das Zooplankton in den Ozeanen von den Algen und dient zusammen mit diesen als Nahrungslieferant für Krebstiere, die wiederum Nahrung für Fische sind, bevor diese von größeren Raubfischen gefressen oder von Menschen gefangen werden. „Gemessen an der immensen Bedeutung der Mikroalgen für unser Leben, wissen wir noch erstaunlich wenig über die Grundlagen und das Zusammenspiel in ihrer Mikrowelt“, sagt Prof. Mittag.

Originalpublikation: Prasad Aiyar et al.: Antagonistic bacteria disrupt calcium homeostasis and immobilize algal cells, Nature Communications (2017), DOI: 10.1038/s41467-017-01547-8

* Dr. U. Schoenfelder: Friedrich-Schiller-Universität Jena, 07743 Jena

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