Mikroben tauschen untereinander auf eine Art und Weise Informationen aus, die an menschliche Nervenzellen und das Gehirn erinnert.
Stuttgart - Das Bild der simplen krankmachenden Bakterien ist überholt. „Diese Mikroben bedienen sich sehr komplexer Kommunikationsvorgänge, um das Leben in der Bakteriengemeinschaft aufeinander abzustimmen. Wir müssen unser Verständnis von Bakterien und ihrem Tun gründlich ändern“, sagt der Mikrobiologe Michael Rothballer von der Abteilung Mikroben-Pflanzen-Interaktionen am Helmholtz Zentrum in München. Bisher war bekannt, dass Bakterien kontinuierlich Signalmoleküle in geringen Mengen ausschütten, um ihre Umgebungsbedingungen zu erkunden. Diese Späher sollen herausfinden, ob und wie viele Artgenossen sich in der Umgebung des jeweiligen Bakteriums befinden. Quorum Sensing, kurz QS, heißt dieser Vorgang, den viele Bakterien nutzen.
Quorum steht für jene kritische Bakterienzahl, die nötig ist, um etwa eine erfolgreiche Offensive auf den Organismus zu starten. Überschreitet die Signalstoffkonzentration in ihrer Umgebung einen bestimmten Schwellenwert, signalisiert dies den Bakterien, dass das Quorum erreicht ist. Dann schalten sie von Verteidigung auf Angriff, der durch die große Zahl an Mitstreitern nun gute Erfolgsaussichten bietet. QS führe auch dazu, dass Gene reguliert werden, die dafür zuständig sind, dass sich Bakterien von ihrer Gemeinschaft ablösen, sagt Rothballer. „Das trägt zur Ausbreitung und zum Überleben der Bakterien bei.“
Die meisten Bakterien leben in Gemeinschaften
Lange Zeit wurde das Verhalten von Bakterien in Reagenzgläsern studiert. „Die meisten Bakterien leben in der Natur aber in millionenstarken mikrobiellen Gemeinschaften, eingebettet in eine selbst geschaffene, dicke schleimige Schutzschicht aus Zuckern und Proteinen, die wir als Biofilm bezeichnen“, erklärt Rothballer. Biofilme können sich auf organischen oder unbelebten Oberflächen wie etwa den Zähnen, chronischen Wunden, Blasenkathetern oder künstlichen Hüft- und Kniegelenken bilden. Neben solchen eher unerwünschten Problem-Biofilmen sind bakterielle Biofilme jedoch in vielen Fällen – etwa auf der Haut, im Darm oder an Pflanzenwurzeln – unerlässlich für die Funktion des jeweiligen Gewebes. „Erst die Untersuchung einer künstlich kreierten Bakteriengemeinschaft in einem Biofilm in Verbindung mit neuen technischen Möglichkeiten lassen uns nun tiefer blicken“, so Rothballer.
Wie Forscher um den Biologen Gürol Süel von der University of California in San Diego herausfanden und im Fachmagazin „Nature“ veröffentlichten, benutzen die Mikroben für die Wechselwirkung mit anderen im Biofilm lebenden Bakterien auch elektrische Signale, die durch Ionenkanäle in der Bakterienmembran erzeugt werden. Hauptakteure der elektrischen Kommunikation sind Kaliumionen. Nervenzellen im menschlichen Gehirn bedienen sich ähnlicher Mechanismen, um dort mit anderen Nervenzellen zu kommunizieren.
Bakterielle Kommunikationskünste
Aufgrund der Ähnlichkeiten elektrischer Kommunikation in Gehirn und Biofilm bezeichnet Süel die mikrobielle Gemeinschaft als mikrobielles Gehirn. So wäre auch die Darmflora des Menschen ein mikrobielles Gehirn, das mit dem menschlichen Darmhirn kommuniziert – und jenes mit dem eigentlichen Gehirn. „Diese Kommunikation kann bei viele Erkrankungen wie Diabetes, bei Übergewicht und bei der Modulation des Immunsystems eine Rolle spielen“, erklärt Rothballer.
Doch wie entdeckten die kalifornischen Forscher diese Kommunikationskünste der Bakterien? Süel und seine Mitarbeiter hatten schon früher Schwankungen des Biofilmwachstums beobachtet. Sobald der Biofilm eine bestimmte Größe erreicht hat, hören die mit Nährstoffen bestens versorgten Bakterienzellen am Rand des Films vorübergehend auf zu wachsen. Da sie die Nährstoffe – hauptsächlich das auch oft an menschlichen Hirnaktivitäten beteiligte Glutamat – in dieser Phase durchlassen, gelangt die Nahrung auch zu entfernt lebenden Bakterien in der Biofilmmitte.
„Anruf“ per Kaliumionen
Wieso aber wissen jene Mikroben am Rand, dass ihre Kollegen Hunger haben? Ein „Anruf“ bei ihnen genügt, wobei dieser über Kaliumionen erfolgt. Wie Süel und sein Team beobachteten, schwankt nämlich auch die elektrische Spannung an den Zellmembranen der Bakterien und damit die Freisetzung der Kaliumionen. Ohne sie geht nichts. Trigger für die Kaliumfreisetzung ist der Stoffwechselreiz Hunger. Durch die Freisetzung von Kaliumionen depolarisieren benachbarte Bakterienzellen. Diese Depolarisierungswelle wandert vom Innern des Bakterienfilms in den Randbereich. Für dort lebende Bakterien ist es das Signal, Nährstoffe durchzulassen.
Im menschlichen Gehirn kann im Zusammenhang mit Migräneattacken oder Schlaganfällen eine Streudepolarisierung auftreten. Diese ist durch eine sich langsam ausbreitende Depolarisation der Hirnrinde gekennzeichnet – ausgelöst durch die Freisetzung von Kaliumionen aus Nervenzellen. „Als Mikrobiologe kann ich nur ,wow‘ sagen“, kommentiert Rothballer begeistert und ergänzt: „Bereits das bisherige Wissen zur Bakterienkommunikation war beeindruckend, aber nun zeigt sich, dass alles noch viel, viel komplexer ist und die Bedeutung der Bakterien für Mensch und Umwelt total unterschätzt wurde.“