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Erde|Umwelt

Wie ruhende Bakteriensporen Umweltreize verarbeiten

Sporen
Die Färbung dieser Bakteriensporen zeigt das elektrochemische Potenzial an. © Süel Lab—Kaito Kikuchi and Leticia Galera

Bakteriensporen überleben extreme Umweltbedingungen und scheinen in ihrem scheinbar leblosen Zustand nichts von ihrer Außenwelt mitzubekommen. Trotzdem können sie positive Umweltreize wahrnehmen und bei günstigen Bedingungen innerhalb kurzer Zeit wieder keimen. Wie dies möglich ist, zeigt nun eine Studie: Demnach nutzen die Bakteriensporen ein gespeichertes elektrochemisches Potenzial, das sich in Reaktion auf wiederholte positive Reize langsam abbaut, bis ein Schwellenwert erreicht ist, der die Keimung auslöst. Dieser passive Mechanismus ermöglicht scheinbar leblosen Organismen, dennoch für sie relevante Informationen aus der Umwelt zu verarbeiten.

Angesichts von Hunger und Stress treten einige Bakterien in einen Ruhezustand ein, in dem ihre Lebensprozesse zum Stillstand kommen. Als Sporen können sie auf diese Weise extremen Hitze- und Druckbedingungen und sogar den rauen Bedingungen des Weltraums widerstehen. Wenn die Bedingungen günstig sind, können Sporen, die jahrelang geschlummert haben, innerhalb von Minuten wieder zum Leben erwachen: Sie nehmen erneut Wasser in sich auf und ihr Stoffwechsel kommt wieder in Gang. Doch wie finden die scheinbar leblosen, inaktiven Sporen heraus, wann die Bedingungen wieder günstig sind?

Keimung erst bei wiederholten Impulsen

Diesem Rätsel ist nun ein Team um Kaito Kikuchi von der University of California in San Diego auf die Spur gekommen. Einen besonderen Fokus legten die Forscher dabei auf die Frage, wie Bakteriensporen vage Umweltsignale verarbeiten, die keine eindeutig günstigen Bedingungen anzeigen. Frühere Beobachtungen hatten nahegelegt, dass sich die Bakteriensporen auf rätselhafte Weise daran erinnern können, wenn in der Vergangenheit schon einmal schwach positive Umweltbedingungen herrschten – und bei wiederholten schwach positiven Signalen eher keimen, als wenn sie nur einmalig einen solchen Impuls bekommen. Doch wie ist das möglich, wenn keinerlei Stoffwechselprozesse ablaufen?

Kikushi und sein Team führten Experimente an tausenden Sporen des Heubazillus (Bacillus subtilis) durch. Zunächst setzten sie den Sporen eine kleine Menge an Nährstoffen zu, die bekanntermaßen als Impuls für die Keimung dienen können. Da die Menge allerdings so gering und nur kurz vorhanden war, verblieben nach diesem ersten Impuls 95 Prozent der Sporen im Ruhezustand. Setzten die Forscher dagegen zwei Stunden später noch einmal eine kleine Menge an Nährstoffen zu, keimte rund die Hälfte aller Sporen. „Die Sporen werden also durch die erste Exposition sensibilisiert und scheinen sich einer Keimschwelle zu nähern“, erklären die Forscher. Physiologisch kann dies sinnvoll sein, da die Bakterien auf diese Weise bewerten können, ob die Bedingungen tatsächlich gut genug zum Keimen sind, und sich nicht durch vorübergehende positive Signale dazu verleiten lassen, ihren Ruhezustand zu früh zu verlassen.

Signalverarbeitung per Membranpotenzial

Messungen des Membranpotenzials der Sporen enthüllten, wie Bacillus subtilis in der Lage ist, die Informationen zu registrieren und abzuspeichern: Jeder kleine Keimungsimpuls führte dazu, dass sich das Membranpotenzial ein wenig verringerte. „Wir haben entdeckt, dass Sporen ihre in Form eines elektrochemischen Membranpotenzials gespeicherte Energie freisetzen können, um Berechnungen über ihre Umgebung durchzuführen, ohne dass eine Stoffwechselaktivität erforderlich ist“, erklärt Kikushis Kollege Gürol Süel. „Das verändert die Art und Weise, wie wir über Sporen denken, die bisher als reaktionslose Objekte betrachtet wurden.“

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Wenn die Bakterien bei schlechten Umweltbedingungen in den Sporenzustand übergehen, lagern sie in ihrem Inneren positiv geladene Kaliumionen ein. Dadurch entsteht ein elektrochemisches Potenzial an der Zellmembran. Erhalten die Sporen einen Keimungsimpuls, strömt ein Teil der Kaliumionen passiv durch Ionenkanäle aus der Zelle aus, wodurch das elektrochemische Potenzial an der Membran fällt. Ist der Impuls so gering, dass nur ein kleiner Teil der Kaliumionen ausströmt, genügt dies nicht, um die Keimung auszulösen. Sammeln sich aber mehrere Impulse an, erreicht das Membranpotenzial schließlich einen Schwellenwert. Ein kleiner Impuls genügt dann, damit die Zelle ihren Ruhezustand verlässt.

„Die Art und Weise, wie Sporen Informationen verarbeiten, ähnelt der Funktionsweise von Neuronen in unserem Gehirn“, erklärt Süel. „Sowohl bei Bakterien als auch bei Neuronen werden kleine und kurze Inputs im Laufe der Zeit addiert, um festzustellen, ob ein Schwellenwert erreicht wird. Bei Erreichen der Schwelle leiten Sporen ihre Rückkehr zum Leben ein, während Neuronen ein Aktionspotenzial abfeuern, um mit anderen Neuronen zu kommunizieren.“ Diesen Mechanismus, auch bekannt als „Integrieren und Feuern“, stellten die Forscher in einem mathematischen Modell dar – und tatsächlich konnten sie damit das Verhalten der Bakteriensporen erklären.

Weitere Details noch offen

Unklar ist bislang, was genau die Kaliumionen dazu veranlasst, aus der Zelle auszuströmen. Auch die Frage, warum und auf welche Weise ein geändertes Membranpotenzial dazu führt, dass die Zelle wieder zum Leben erwacht, ist noch offen. „Zukünftige Arbeiten, die das Keimungsverhalten von Sporen aus unterschiedlichen Taxa untersuchen, könnten nützliche Erkenntnisse darüber liefern, wie Umweltbedingungen die Schwellenwerte für die Keimung diktieren“, schreiben Jonathan Lombardino und Briana Burton von der University of Wisconsin-Madison in einem begleitenden Kommentar zur Studie, der ebenfalls in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde.

Doch bereits die bisherigen Ergebnisse haben weitreichende Implikationen: „Diese Arbeit zeigt alternative Wege auf, um mit der potenziellen Bedrohung durch pathogene Sporen umzugehen, und hat Auswirkungen darauf, was wir von außerirdischem Leben erwarten können“, sagte Süel. „Wenn Wissenschaftler Leben auf dem Mars oder der Venus finden, befindet es sich wahrscheinlich in einem ruhenden Zustand, und wir wissen jetzt, dass eine Lebensform, die völlig reaktionslos zu sein scheint, dennoch in der Lage sein kann, über ihre nächsten Schritte nachzudenken.“

Quelle: Kaito Kikuchi (University of California in San Diego) et al., Science, doi: 10.1126/science.abl7484

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