Bakterien kommunizieren wie Neuronen

Credit: Thinkstock

Von wegen einfach gestrickte Organismen: Bakterien pflegen komplexe soziale Beziehungen und kommunizieren aktiv miteinander. Dabei nutzen sie offenbar ähnliche Mechanismen wie die Nervenzellen im menschlichen Gehirn, wie Forscher nun zeigen. Sie interagieren über durch Ionenkanäle vermittelte elektrische Signale. Diese Analogie ist nicht nur erstaunlich – sie bietet womöglich auch Ansatzpunkte für die Entwicklung neuer Medikamente im Kampf gegen antibiotikaresistente Bakterien.

Ein Wissenschaftlerteam um den Biologen Gürol Süel von der University of California in San Diego liefert in einer Onlineausgabe des Fachmagazins Nature überraschende Einblicke in die Kommunikationsweise von Bakterien. Die Forscher zeigen erstmals, dass die Organismen Ionenkanäle nutzen, um Signale über lange Strecken zu verbreiten – und auf diese Weise das Leben in der Mikrobengemeinschaft zu koordinieren.

Ionenkanäle sind röhrenförmig angeordnete Proteinkomplexe mit einer speziellen Funktion: Sie ermöglichen elektrisch geladenen Teilchen sogenannte Biomembranen zu durchqueren, also Abgrenzungen zwischen Zellen und einzelnen  Zellkompartimenten zu passieren. Über solche Ionenkanäle leiten menschliche Nervenzellen Informationen weiter. Das Öffnen beziehungsweise schließen von Kanälen beeinflusst dabei, ob elektrische Teilchen in die Zelle ein- oder ausströmen können.

Biofilme unter der Lupe

Durch diese elektrische Kommunikation zwischen Neuronen im Gehirn entstehen all unsere Sinneswahrnehmungen, unser Verhalten und unsere Intelligenz, sagt Süel. „Dass auch Bakterien über Ionenkanäle kommunizieren, rückt die Mikroorganismen in ein neues Licht." Tatsächlich stammt viel von dem Wissen, das Forscher heute über die Reizweiterleitung in unserem Gehirn haben, aus strukturellen Studien an bakteriellen Ionenkanälen. Doch inwiefern die Bakterien selbst diese Ionenkanäle nutzen, war bislang ein Rätsel.

Erst die Untersuchungen von Süel und seinen Kollegen klären dieses Geheimnis nun auf. Die Biologen haben Biofilme studiert, die aus einer Schleimschicht bestehen, in der dicht gedrängt Millionen von Bakterien leben. Diese Lebensgemeinschaften siedeln sich in der Regel auf Oberflächen an – zum Beispiel auf Zähnen, wo sie einen unschönen Belag bilden.

Glutamat als Hinweisgeber

Schon in früheren Studien hatte Süels Team entdeckt, dass Biofilme zu Erstaunlichem fähig sind. Sie können Konflikte und Stress innerhalb der Gemeinschaft aktiv lösen. Konkret beobachteten die Forscher Folgendes: Wenn ein Biofilm aus bakteriellen Zellen eine bestimmte Größe erreicht hat, hören die Zellen am Rand des Films, die uneingeschränkten Zugang zu Nährstoffen haben, zeitweise auf zu wachsen. Stattdessen erlauben sie wichtigen Nährstoffen nun auch zum Zentrum des Biofilms zu fließen – hauptsächlich Glutamat. Auf diese Weise bleiben auch die Bakterien im Inneren der Kolonie am Leben und sind zudem widerstandsfähiger gegen Chemikalien und Antibiotika.

Damit war klar: Irgendwie müssen dieses Schwankungen des Biofilmwachstums koordiniert werden. Und die Koordination muss über lange Distanzen funktionieren – vom Inneren des Biofilms bis zu seinen Randbereichen. Weil die Bakterien offensichtlich primär um Glutamat konkurrieren, spekulierten die Wissenschaftler, dass eine Form elektrochemischer Kommunikation an dem Prozess beteiligt sein könnte. Denn Glutamat ist ein elektrisch geladenes Molekül. Zudem treibt es den Forschern zufolge etwa die Hälfte aller menschlichen Hirnaktivitäten an.

Kaliumionen regulieren Stoffwechsel

Die nun veröffentlichte Studie bestätigt diese Hypothese. Die Forscher zeigen, dass die elektrische Spannung an den Zellmembranen synchron zum Biofilmwachstum schwankt. Die Veränderungen des sogenannten Membranpotentials werden dabei durch Ionenkanäle ausgelöst. Hauptsächlich beteiligt an der elektrischen Signalübertragung sind demnach Kaliumionen. Diese elektrisch geladenen Teilchen wandern in Wellen durch den Biofilm und regulieren dabei die Stoffwechselaktivitäten der Bakterien.

„Die Reizweiterleitung allein scheint das Gleichgewicht innerhalb der Biofilmgemeinschaft zu bewahren", schreiben die Biologen Sarah Beagle und Steve Lockless von der Texas A & M University in einem ebenfalls in Nature veröffentlichten Kommentar zur Studie. „Sie koordiniert das Wachstum der äußeren Zellen und stellt gleichzeitig sicher, dass auch der Stoffwechsel der inneren Zellen aufrechterhalten bleiben kann." Ohne die Kaliumionen bricht die Kommunikation zwischen den Zellen ab: Entfernten die Forscher jenen Ionenkanal aus den Bakterien, der das Ein- und Rausfließen von Kaliumionen erlaubt, konnte das elektrische Signal nicht weitergeleitet werden.

Migränemittel gegen resistente Bakterien?

Studienleiter Süel vergleicht Biofilme aufgrund der neuen Erkenntnisse mit einem „mikrobiellen Gehirn". Besondere Ähnlichkeit habe die Kommunikationsweise der Bakteriengemeinschaften mit einem als Streudepolarisierung oder Spreading Depression bekannten Phänomen, das unter anderem mit Migräneattacken und Schlaganfällen in Zusammenhang gebracht wird. Dabei breitet sich entlang der Hirnrinde langsam und wellenförmig eine Depolarisierung aus – das Membranpotential verändert sich hin zu einer positiveren Spannung. Beteiligt an der Entstehung und Ausbreitung der Spreading Depression ist eine Freisetzung von Kaliumionen.

„Interessant ist, dass sowohl Migräne als auch die elektrische Signalübertragung in Biofilmen durch metabolischen Stress, also ein Ungleichgewicht oder eine Belastung des Stoffwechsels, ausgelöst wird", sagt Süel. „Womöglich könnten deshalb eigentlich für die Behandlung von Migräne oder Epilepsie entwickelte Medikamente auch gegen bakterielle Biofilme wirksam sein – und damit ein potenzielles Mittel gegen die Bedrohung durch antibiotikaresistente Bakterien."

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