Bakterien Verwenden Hirnähnliche Stromstöße, Um Zu Kommunizieren

Mit elektrischen Signalen können sich Zellen in komplexen Gesellschaften organisieren und mit anderen Kolonien verhandeln.

Aus dem Quanta Magazine (Originalgeschichte finden Sie hier).

Bakterien haben ein unglückliches und ungenaues öffentliches Bild, wenn isolierte Zellen auf Objektträgern herumwirbeln. Je mehr Wissenschaftler jedoch über Bakterien lernen, desto mehr sehen sie, dass dieser hermitische Ruf zutiefst irreführend ist, wie der Versuch, menschliches Verhalten zu verstehen, ohne sich auf Städte, Gesetze oder Sprache zu beziehen. "Die Menschen behandelten Bakterien als … allein lebende Organismen", sagte Gürol Süel, Biophysiker an der University of California in San Diego. "Tatsächlich scheinen die meisten Bakterien in der Natur in sehr dichten Gemeinschaften zu leben."

Die bevorzugte Form der Gemeinschaft für Bakterien scheint der Biofilm zu sein. Auf Zähnen, Rohren, Felsen und im Ozean schmelzen Mikroben milliardenfach zusammen und bilden klebrige organische Aufbauten um sich herum. In diesen Filmen können Bakterien die Arbeit teilen: Äußere Zellen können Bedrohungen abwehren, während innere Zellen Nahrung produzieren. Und wie Menschen, denen es größtenteils durch Zusammenarbeit gelungen ist, gedeihen Bakterien in Gemeinschaften. Antibiotika, die leicht freischwimmende Zellen leicht versenden, erweisen sich häufig als nutzlos gegen dieselben Zelltypen, wenn sie sich in einem Film zusammengekauert haben.

Wie in allen Gemeinden benötigen zusammenlebende Bakterien Möglichkeiten, Nachrichten auszutauschen. Biologen wissen seit Jahrzehnten, dass Bakterien chemische Hinweise verwenden können, um ihr Verhalten zu koordinieren. Das bekannteste Beispiel, das von Bonnie Bassler von der Princeton University und anderen erläutert wurde, ist das Quorum Sensing, ein Prozess, bei dem Bakterien Signalmoleküle extrudieren, bis eine ausreichend hohe Konzentration die Zellen dazu veranlasst, einen Biofilm zu bilden oder ein anderes kollektives Verhalten auszulösen.

Aber Süel und andere Wissenschaftler stellen jetzt fest, dass Bakterien in Biofilmen auch elektrisch miteinander sprechen können. Biofilme scheinen elektrisch geladene Partikel zu verwenden, um Aktivitäten über große Flächen hinweg zu organisieren und zu synchronisieren. Dieser elektrische Austausch hat sich als so stark erwiesen, dass Biofilme ihn sogar verwenden, um neue Bakterien aus ihrer Umgebung zu rekrutieren und mit benachbarten Biofilmen über ihr gegenseitiges Wohlbefinden zu verhandeln.

"Ich denke, dies sind wohl die wichtigsten Entwicklungen in der Mikrobiologie in den letzten Jahren", sagte Ned Wingreen, ein Biophysiker, der die Quorum Sensing in Princeton erforscht. "Wir lernen etwas über eine völlig neue Art der Kommunikation."

Biofilme waren bereits ein heißes Thema, als Süel sich 2012 als junger Professor in San Diego auf sie konzentrierte. Aber vieles an ihnen war immer noch rätselhaft, einschließlich der Frage, wie einzelne Bakterien ihre Freiheit aufgeben und sich in großen, stationären Gesellschaften niederlassen. Um Einblicke zu gewinnen, züchteten Süel und seine Kollegen Biofilme von Bacillus subtilis, einem häufig untersuchten stäbchenförmigen Bakterium, und beobachteten sie stundenlang mit hoch entwickelten Mikroskopen. In Zeitrafferfilmen sahen sie, wie sich Biofilme nach außen ausdehnten, bis die Zellen im Inneren die verfügbaren Reserven der Aminosäure Glutamat verbrauchten, die die Bakterien als Stickstoffquelle verwenden. Dann hörten die Biofilme auf, sich auszudehnen, bis das Glutamat wieder aufgefüllt war. Süel und seine Kollegen wurden neugierig, wie die inneren Bakterien den äußeren Zellen sagten, wann sie sich teilen und wann sie sich entspannen sollten.

Quorum Sensing war der offensichtliche Verdächtige. Aber Süel, der in Physik ausgebildet war, vermutete, dass in seinen Bacillus-Kolonien etwas mehr als die Verbreitung chemischer Botenstoffe am Werk war. Er konzentrierte sich auf auf Ionenkanäle spezialisierte Moleküle, die sich in die äußeren Membranen der Zellen schmiegen und elektrisch geladene Teilchen hinein- und heraus befördern. Ionenkanäle sind wahrscheinlich am bekanntesten für ihre Rolle in Nervenzellen oder Neuronen. Meistens pumpen Neuronen Natriumionen aus, die eine einzige positive Ladung tragen, und lassen eine andere Anzahl von Kaliumionen ein, auch mit einzelnen positiven Ladungen. Das resultierende Ladungsungleichgewicht wirkt wie Wasser, das sich hinter einem Damm ansammelt. Wenn ein elektrischer Impuls die Membran eines Neurons erschüttert, öffnen sich spezielle Kanäle, damit die konzentrierten Ionen ein- und ausfluten können, wodurch im Wesentlichen die Schleusen des Damms geöffnet werden. Dieser Austausch breitet sich entlang des Neurons aus und erzeugt die elektrischen „Aktionspotentiale“, die Informationen im Gehirn transportieren.

Süel wusste, dass Bakterien auch Ionen über ihre Membranen pumpen, und mehrere neuere Veröffentlichungen hatten über Spitzen der elektrischen Aktivität in Bakterien berichtet, die zumindest lose denen im Gehirn ähnelten. Könnten Bakterien auch den Aktionspotentialmechanismus nutzen, um elektrische Signale zu übertragen? er fragte sich.

Er und seine Kollegen behandelten Biofilme in ihrem Labor mit fluoreszierenden Markern, die durch Kalium- und Natriumionen aktiviert werden, und der Kaliummarker leuchtete auf, wenn Ionen aus ausgehungerten Zellen flossen. Wenn die Ionen nahe gelegene Zellen erreichten, setzten diese Zellen auch Kalium frei, wodurch das Signal aufgefrischt wurde. Das Signal floss auf diese Weise nach außen, bis es den Rand des Biofilms erreichte. Und als Reaktion auf das Signal hörten die Randzellen auf, sich zu teilen, bis die inneren Zellen eine Mahlzeit erhalten konnten, wonach sie aufhörten, Kalium freizusetzen.

Süels Team schuf dann mutierte Bakterien ohne Kaliumkanäle und stellte fest, dass die Zellen nicht auf die gleiche Stop-Start-Weise wuchsen. (Die Forscher sahen in ihren Experimenten auch keine Bewegung markierter Natriumionen.) Wie Neuronen verwenden Bakterien offenbar Kaliumionen, um elektrische Signale zu verbreiten, berichteten Süel und seine Kollegen 2015 in Nature.

Trotz der Parallelen zur neuronalen Aktivität betont Süel, dass Biofilme nicht nur wie Gehirne sind. Neuronale Signale, die neben den Kaliumkanälen auch auf schnell wirkende Natriumkanäle angewiesen sind, können mit einer Geschwindigkeit von mehr als 100 Metern pro Sekunde ablaufen - eine Geschwindigkeit, die entscheidend dafür ist, dass Tiere sich auf ausgefeilte, schnelle Bewegungen wie die Jagd einlassen können. Die Kaliumwellen in Bacillus breiteten sich mit einer vergleichsweise schildkrötenartigen Geschwindigkeit von einigen Millimetern pro Stunde aus. "Grundsätzlich beobachten wir in diesen Biofilmen eine primitive Form des Aktionspotentials", sagte Süel. "Aus mathematischer Sicht sind beide genau gleich. Es ist nur so, dass man viel schneller ist."

Bakterienrundfunk

Süel und seine Kollegen hatten jedoch weitere Fragen zu diesem elektrischen Signal. Wenn die Welle der kaliumgetriebenen elektrischen Aktivität den Rand eines Biofilms erreicht, hört die elektrische Aktivität möglicherweise auf, aber die in die Umwelt freigesetzte Kaliumionenwolke hält an. Die Forscher beschlossen daher zu untersuchen, was passiert, wenn die Kaliumwelle einen Biofilm verlässt.

Die erste Antwort kam Anfang dieses Jahres in einem Cell-Papier, in dem gezeigt wurde, dass Bacillus-Bakterien Kaliumionen zu verwenden scheinen, um frei schwimmende Zellen für die Gemeinschaft zu rekrutieren. Erstaunlicherweise zogen die Bakterien nicht nur andere Bacillus an, sondern auch nicht verwandte Arten. Es scheint, dass sich Bakterien entwickelt haben, um nicht nur in Monokulturen, sondern in verschiedenen Gemeinschaften zu leben.

Einige Monate später zeigte Süels Team in Science, dass zwei Bacillus-Biofilme durch den Austausch von Kaliumsignalen Nährstoffe „zeitlich teilen“können. In diesen Experimenten aßen zwei Bakteriengemeinschaften abwechselnd Glutamat, wodurch die Biofilme die begrenzten Nährstoffe effizienter konsumieren konnten. Infolge dieses Austauschs wuchsen die Biofilme schneller als sie es hätten tun können, wenn die Bakterien so viel wie möglich ohne Unterbrechung gefressen hätten. Als die Forscher Bakterien mit Ionenkanälen verwendeten, die so modifiziert worden waren, dass sie schwächere Signale lieferten, wuchsen die Biofilme, die ihre Fütterung nicht mehr koordinieren konnten, langsamer.

Süels Entdeckungen darüber, wie Bakterien elektrisch kommunizieren, haben Bakterienforscher begeistert.

"Ich denke, es ist eine der interessantesten Arbeiten in der gesamten Biologie", sagte Moh El-Naggar, Biophysiker an der University of Southern California. El-Naggar untersucht, wie Bakterien Elektronen mithilfe spezieller dünner Röhren übertragen, die er Nanodrähte nennt. Obwohl diese Übertragung auch als eine Form der elektrischen Kommunikation angesehen werden könnte, sagt El-Naggar, dass er in der Vergangenheit „die Bremsen anziehen“würde, wenn jemand vorschlagen würde, dass sich Bakterien ähnlich wie Neuronen verhalten. Seit er Süels Zeitung von 2015 gelesen hat, hat er sein Denken geändert. "Viele von uns können es kaum erwarten zu sehen, was dabei herauskommt", sagte er.

Für Gemma Reguera, eine Mikrobiologin an der Michigan State University, stützen die jüngsten Enthüllungen ein Argument, das sie ihren Biologenkollegen seit langem vorbringt: Physikalische Signale wie Licht, Schall und Elektrizität sind für Bakterien ebenso wichtig wie chemische Signale. "Vielleicht hilft [Süels Entdeckung] der wissenschaftlichen Gemeinschaft und [Menschen] außerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft, sich offener für andere Formen der physischen Kommunikation zu fühlen", sagte Reguera unter Bakterien.

Ein Teil dessen, was Forscher begeistert, ist, dass die elektrische Signalübertragung zwischen Bakterien Anzeichen dafür zeigt, dass sie stärker ist als die chemisch vermittelte Quorum-Erkennung. Chemische Signale haben sich als kritisch für die Koordination bestimmter kollektiver Verhaltensweisen erwiesen, werden jedoch schnell verdünnt und verblassen, sobald sie sich außerhalb der unmittelbaren Umgebung der Bakterien befinden, die das Signal emittieren. Im Gegensatz dazu können, wie Süels Team herausgefunden hat, die von Biofilmen freigesetzten Kaliumsignale mehr als das 1000-fache der Breite einer typischen Bakterienzelle mit konstanter Stärke übertragen werden - und selbst diese Grenze ist eine künstliche Obergrenze, die durch die verwendeten Mikrofluidikgeräte vorgegeben wird in den Experimenten. Der Unterschied zwischen Quorum Sensing und Kaliumsignalisierung ist wie der Unterschied zwischen dem Schreien von einem Berggipfel und dem Tätigen eines internationalen Telefongesprächs.

Darüber hinaus ermöglichen Chemikalien nur die Kommunikation mit Zellen, auf die bestimmte Rezeptoren abgestimmt sind, so Wingreen. Kalium scheint jedoch Teil einer universellen Sprache zu sein, die von tierischen Neuronen, Pflanzenzellen und Wissenschaftlern, die zunehmend Bakterien finden, geteilt wird.

Eine universelle chemische Sprache

"Ich persönlich habe [positiv geladene Ionenkanäle] in jedem einzelligen Organismus gefunden, den ich jemals untersucht habe", sagte Steve Lockless, ein Biologe an der Texas A & M University, der Süels Laborkollege in der Graduiertenschule war. Bakterien könnten daher Kalium verwenden, um nicht nur miteinander, sondern auch mit anderen Lebensformen, einschließlich vielleicht Menschen, zu sprechen, wie Lockless in einem Kommentar zu Süels Artikel von 2015 spekulierte. Untersuchungen haben ergeben, dass Bakterien den Appetit oder die Stimmung ihrer Wirte beeinflussen können. Vielleicht helfen Kaliumkanäle dabei, diesen Kommunikationskanal zwischen den Königreichen bereitzustellen.

Die Tatsache, dass Mikroben Kalium verwenden, legt nahe, dass dies eine alte Anpassung ist, die sich entwickelt hat, bevor die eukaryotischen Zellen, aus denen Pflanzen, Tiere und andere Lebensformen bestehen, von Bakterien abweichen, so Jordi Garcia-Ojalvo, Professor für Systembiologie an der Universität Pompeu Fabra in Barcelona, der theoretische Modelle zur Unterstützung von Süels Experimenten lieferte. Für das Phänomen der interzellulären Kommunikation, sagte er, könnte der Bakterienkanal "ein guter Kandidat für den evolutionären Vorfahren des gesamten Verhaltens sein".

Die Ergebnisse bilden "eine sehr interessante Arbeit", sagte James Shapiro, ein Bakteriengenetiker an der Universität von Chicago. Shapiro hat keine Angst vor kühnen Hypothesen: Er hat argumentiert, dass Bakterienkolonien zu einer Form der Erkenntnis fähig sein könnten. Aber er geht vorsichtig mit Analogien zwischen Neuronen und Bakterien um. Die Kalium-vermittelten Verhaltensweisen, die Süel bisher gezeigt hat, sind so einfach, dass sie nicht erfordern, dass sich die Art von hoch entwickelten Schaltkreisen entwickelt hat, sagte Shapiro. "Es ist nicht genau klar, wie viel Informationsverarbeitung stattfindet."

Süel stimmt zu. Derzeit ist er jedoch weniger daran interessiert, den Informationsgehalt von Biofilmen zu quantifizieren, als vielmehr aufzudecken, wozu andere Heldentaten in der Lage sind. Er versucht nun herauszufinden, ob Biofilme verschiedener Bakterienarten zeitlich die Biofilme von reinem Bacillus teilen.

Er möchte auch das entwickeln, was er "bakterielle Biofilm-Elektrophysiologie" nennt: Techniken zur direkten Untersuchung der elektrischen Aktivität in Bakterien, wie Neurowissenschaftler das Gehirn seit Jahrzehnten untersuchen. Werkzeuge, die für Bakterien entwickelt wurden, wären ein großer Segen, sagte Elisa Masi, eine Forscherin an der Universität von Florenz in Italien, die Elektroden für Neuronen verwendet hat, um die elektrische Aktivität in Bakterien zu erfassen. "Wir sprechen über Zellen, die wirklich sehr, sehr klein sind", sagte sie. "Es ist schwierig, ihre Stoffwechselaktivität zu beobachten, und es gibt keine spezifische Methode" zur Messung ihrer elektrischen Signale.

Süel und seine Kollegen entwickeln jetzt solche Werkzeuge als Teil einer lex, iongefüllten natürlichen Umgebung wie dem Ozean. "Jetzt denken wir an [Bakterien] als Meister der Manipulation von Elektronen und Ionen in ihrer Umgebung. Es ist sehr, sehr weit entfernt von der Art und Weise, wie wir sie als sehr vereinfachende Organismen angesehen haben."

"Schritt für Schritt stellen wir fest, dass all die Dinge, von denen wir glauben, dass sie Bakterien nicht tun, tatsächlich tun", sagte Wingreen. "Es verdrängt uns von unserem Sockel."

Nachdruck mit freundlicher Genehmigung des Quanta Magazine, einer redaktionell unabhängigen Veröffentlichung der Simons Foundation, deren Aufgabe es ist, das Verständnis der Öffentlichkeit für die Wissenschaft zu verbessern, indem Forschungsentwicklungen und -trends in den Bereichen Mathematik sowie Physik und Biowissenschaften behandelt werden.