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Bild der Woche

Ein Mandala aus Bakterien

Bakterienmuster
(Bild: Kwang-Tao Chou)

Dieses Muster aus konzentrischen Ringen hat ein Biofilm aus Bakterien während seiner Entwicklung „gemalt“. Hinter der Aufteilung in verschiedene Abschnitte steckt eine Art molekulare Uhr, die zuvor von Bakterien nicht bekannt war.

Biofilme bestehen aus Gemeinschaften von Mikroorganismen wie Bakterien, die in einer von ihnen gebildeten Schleimschicht eingebettet sind. Sie werden aus verschiedenen Zelltypen gebildet und sind allgegenwärtig: auf den Zähnen, in Böden, auf Pflanzen. Bislang ging man davon aus, dass sie sich nicht organisiert anordnen können, wie es aus der höher entwickelten Pflanzen- und Tierwelt bekannt ist. Ein Biologenteam um Gürol Süel von der University of California in San Diego widerlegt diese Annahme nun anhand eines Biofilms aus Bacillus-subtilis-Bakterien. Mithilfe von Experimenten und einem mathematischen Modell entdeckten sie auch den dahinterliegenden genetischen Mechanismus.

Süel erläutert die weitreichenden Folgen dieser Erkenntnis für die Biologie: „Aus biologischer Sicht deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass das Konzept der Zellmusterbildung während der Entwicklung viel älter ist als bisher angenommen. Offensichtlich ist die Fähigkeit von Zellen, sich selbst in Raum und Zeit zu segmentieren, nicht erst bei Pflanzen und Wirbeltieren entstanden, sondern könnte über eine Milliarde Jahre zurückreichen.“

Wenn sich ein Biofilm ausdehnt und Nährstoffe verbraucht, breitet sich Nährstoffmangel wie eine Welle in der Bakteriengemeinschaft aus. Dadurch wird eine Art molekulare Uhr in jeder Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt und an einem bestimmten Ort eingefroren. Als Folge bilden sich Muster aus sich wiederholenden Zonen von Zellen in unterschiedlichen Stoffwechselzuständen. Dieser Mechanismus weist Parallelen zum sogenannten Uhr- und Wellenfronten-Modell auf, das als Beschreibung eines Prozesses der Embryonalentwicklung von Wirbeltieren diskutiert wird.

„Wir können sehen, dass bakterielle Gemeinschaften nicht einfach nur Kugeln von Zellen sind“, sagt Süel. Er setzt große Hoffnungen in die neuentdeckte Ähnlichkeit von Entwicklungsmustern bei Bakterien und anderen Lebewesen: „Mit einem bakteriellen System können wir einige Antworten geben, die in Wirbeltier- und Pflanzensystemen nur schwer zu erhalten sind, weil Bakterien experimentell leichter zugängliche Systeme bieten, die neue Erkenntnisse für das Gebiet der Entwicklung liefern könnten.“

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