Auch Bakterien kommunizieren untereinander

Darmbakterien, Gesundheit der Darmflora, 3D-Abbildung

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Nun ist es bekannt ‚Äď auch Bakterien k√∂nnen sich untereinander verst√§ndigen, bei anderen Bakterien mith√∂ren und sich auf ein einheitliches Vorgehen einigen. F√ľr die Arbeit zu dieser Thematik erhalten die beiden Mikrobiologen Bonnie L. Bassler und Michael R. Silverman nun den Paul-Ehrlich und Ludwig Darmstaedter-Preis. Diese Forschungen k√∂nnten m√∂glicherweise helfen, Antibiotika zu vermeiden, wenn man stattdessen einfach die Kommunikationssignale st√∂ren k√∂nnte.

Darmbakterien, Gesundheit der Darmflora, 3D-Abbildung

shutterstock.com / nobeastsofierce

Quorum sensing

Bakterien nutzen die Kommunikation zwischen Zellen, um kollektives Verhalten als Reaktion auf √Ąnderungen der Zelldichte und der Artenzusammensetzung der Gemeinschaft zu koordinieren. Diesen Prozess nennt man auch¬†Quorum Sensing, oder kurz QS. Dieser Kommunikationsprozess ist von der Zelldichte abh√§ngig und nur dann wirksam, wenn die Konzentration bestimmter, von Bakterien abgegebenen, extrazellul√§ren Signalmolek√ľle (d.h. Autoinduktoren) einen Schwellenwert im Medium √ľbersteigt. Solche Signalmolek√ľle, kurz AIs, k√∂nnen einen genetischen Regulationsprozess ausl√∂sen, wodurch eine bestimmte genetische Information in der Empf√§ngerbakterie zum Ausdruck kommt (d.h. Genexpression). Dieser Prozess konnte bereits bei √ľber 70 Bakterien nachgewiesen werden.

Wie bei der menschlichen Sprache, variieren diese Signale auch zwischen den Bakterienarten. So k√∂nnen einige Bakterien viele verschiedene Signale interpretieren, w√§hrend andere jedoch nur auf wenige reagieren. ¬†Mithilfe dieses Kommunikationsprozesses k√∂nnen Bakterienkolonien verschiedene Funktionen ausf√ľhren: Sporulation (d.h. Prozess der Sporenbildung), Biolumineszenz (d.h. F√§higkeit Licht zu erzeugen), Virulenz (d.h. Ansteckungsf√§higkeit), Konjugation (d.h. Genom√ľbertragung durch Zellkontakt), Kompetenz (d.h. F√§higkeit, DNA aufzunehmen und sich dadurch zu transformieren) und Biofilmbildung (d.h. Lebensgemeinschaft mit schleimartiger Matrix).

Wie funktioniert QS?

W√§hrend der Fortpflanzungsphase der Bakterien entwickeln diese die AIs. W√§hrend gramnegative Bakterien dabei sogenannte Acyl-Homoserin-Lactone (Kurz: HSL) produzieren, sind in grampositiven Bakterien extrazellul√§re Pheromone f√ľr die Zellkommunikation verantwortlich. Die HSL k√∂nnen passiv durch die d√ľnne Zellwand gelangen ‚Äď die Pheromone m√ľssen jedoch mithilfe zus√§tzlicher Energie (d.h. ATP) aktiv durch die Zellwand transportiert werden. In beiden F√§llen bewegen sich die AIs aus den einzelnen Zellen heraus. Da sich Bakterien vermehren, steigt auch die Konzentration der Autoinduktoren an und trifft auf eine ‚Äěkritische Masse‚Äú. Dieser Schwellenwert bewirkt, dass es energetisch ung√ľnstig w√§re, wenn weiterhin AIs aus Zellen entweichen (d.h. durch Diffusionsgleichgewicht oder Transport). Dadurch erh√∂ht sich die Konzentration innerhalb der Zellen. Sobald diese intrazellul√§re Konzentration zunimmt, binden die AIs an die Rezeptoren der Bakterien und l√∂sen dadurch Signale aus, wodurch es zu einer Genexpression kommt. Bei vielen Bakterien beinhaltet die √Ąnderung der Genexpression ein Herunterfahren weiterer AIs.¬†

QS bei der Koordinierung einer Krankheitsbildung

Das bekannte gramnegative krankheitsbildende Bakterium Vibrio cholerae (d.h. Erreger der Cholera) verwendet QS f√ľr die Ansteckungsf√§higkeit (d.h. Virulenz) w√§hrend einer Infektion mit Cholera. Dabei baut das Bakterium Biofilme auf, um N√§hrstoffe zwischen den Kolonien effektiver zu transportieren und sie gleichzeitig zu sch√ľtzen. Durch diese Kommunikationsprozesse steigt der Erfolg f√ľr die Fortpflanzung der Bakterien und die m√∂gliche Ausscheidung von Choleratoxin, welches beim Menschen eine schwere Durchfallerkrankung ausl√∂sen kann.¬†

Mit dem neuen Wissen forschen Wissenschaftler nun am QS-Prozess von V. cholerae als therapeutische M√∂glichkeit. Eine 2015 publizierte Studie zeigte zum Beispiel, dass eine √úberladung der Cholera-Bakterien mit deren Autoinduktoren den Prozess der Biofilm-Bildung ganz aufhalten kann, wodurch der Infektionsprozess m√∂glicherweise verz√∂gert werden k√∂nnte. Dadurch k√∂nnte das menschliche Immunsystem w√§hrend der ansonsten raschen Infektionsphase aufholen. Medizinische Relevanz besteht auch als m√∂glicher L√∂sungsweg f√ľr das Problem des starken Anstiegs der Antibiotikaresistenz bei unterschiedlichen Bakterien.¬†

Medizinische Relevanz

Obwohl die Forschungen von Silverman und Bassler ein neues Verst√§ndnis f√ľr die Prozesse mikrobieller Kolonien erschaffen hat, war dies allerdings erst nach jahrelanger √úberzeugungsarbeit und nach vielen Publikationen gegeben. Denn lange war man in Fachkreisen der Meinung, dass QS nur eine besondere Auspr√§gung zwischen den Bakterien Vibrio fischeri und dem Zwergtintenfisch w√§re und nicht mit anderen Bakterien assoziiert sei. Heute ist QS mehrmalig nachgewiesen worden und bietet auch ein medizinisches Potenzial. Um einzelne antibiotikaresistente Keime zu bek√§mpfen, k√∂nnte das jeweilige AI-System dieser gest√∂rt werden. Um mehrere verschiedene Bakterien parallel zu bek√§mpfen, w√§re die Vereitelung eines allgemein wirksamen AI-Systems effizienter. Zurzeit forschen die Wissenschaftler intensiv an diesen Konzepten ‚Äď jedoch sind die Substanzen noch nicht effektiv genug f√ľr eine klinische Wirkung und besitzen nicht alle Eigenschaften, die f√ľr ein Medikament notwendig sind. Auch eine umgekehrte Wirkung sei denkbar, wenn man QS einsetzen k√∂nnte, um die Mechanismen n√ľtzlicher Bakterien im Darm oder auf der Haut zu unterst√ľtzen.¬†

Im Jahre 2019 zeigte Bassler, dass auch Phagen (d.h. Viren, die Bakterien angreifen) QS verwenden, um den Zeitpunkt mit der h√∂chsten Dichte an Bakterien zu erfahren. Falls sie die Bakterien infizieren, wenn deren Anzahl am h√∂chsten ist, ist auch die Warscheinlichkeit f√ľr h√∂chsten Nachwuchs an Phagen am gr√∂√üten.¬†

Durch die Corona-Pandemie bedingt wird die Preisverleihung auf den 14. März 2022 verschoben.

Fazit:

Die Entdeckung und von Quorum-Sensing-Systemen in Bakterien könnten einer der ersten Schritte bei der Entwicklung effizienterer mikrobiologischer und medizinischer Ansätze in der Antibiotika-Forschung gewesen sein. Die neuesten Forschungen zur mikrobiellen Kommunikation seien dadurch erst der Beginn.

Redaktionelle Grundsätze

Alle f√ľr den Inhalt herangezogenen Informationen stammen von gepr√ľften Quellen (anerkannte Institutionen, Fachleute, Studien renommierter Universit√§ten). Dabei legen wir gro√üen Wert auf die Qualifikation der Autoren und den wissenschaftlichen Hintergrund der Informationen. Somit stellen wir sicher, dass unsere Recherchen auf wissenschaftlichen Erkenntnissen basieren.
Danilo Glisic

Danilo Glisic
Autor

Als Biologie- und Mathematikstudent verfasst er leidenschaftlich Magazinartikel zu aktuellen medizinischen Themen. Aufgrund seiner Affinität zu Zahlen, Daten und Fakten, liegt sein Fokus dabei auf der Beschreibung von relevanten klinischen Studienergebnissen.

Letztes Update

02.07.2021

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