Einleitung
Schließen Sie die Augen und stellen Sie sich Bakterien vor. Vielleicht stellen Sie sich unseren Darm vor Escherichia coli, oder die glänzenden goldenen Kugeln von Staphylokokken oder die korkenzieherischen Löckchen von Lyme-Borreliose-Spirochäten. Ungeachtet der Art und ihrer Form besteht die Möglichkeit, dass Ihr geistiges Auge eine einzelne Zelle oder vielleicht mehrere frei lebende Zellen heraufbeschwört.
Das Problem bei diesem Bild sei, sagt der Mikrobiologe Julia Schwartzmann, ist, dass es nicht widerspiegelt, wie die meisten Bakterien wahrscheinlich leben. Oft verwenden Bakterien klebrige Moleküle, um sich an einer Oberfläche zu verankern und darin zu wachsen große, stabile Kollektive Biofilme genannt. Die Plaque auf Ihren Zähnen ist ein Biofilm; Das gilt auch für Infektionen an Kathetern, das schleimige Grün von Teichschlamm und den Dreck, der den Abfluss Ihrer Badewanne verstopft.
Aber Schwartzmans jüngste Arbeit, die sie als Postdoktorandin im Labor von Otto Cordero am Massachusetts Institute of Technology, zeigt, dass sogar im offenen Ozean schwimmende Bakterien, denen ein Ankerpunkt für die Bildung großer Konglomerate fehlt, in vielzelliger Form existieren.
„Wir haben diese Strukturen gesehen, die einfach unglaublich waren“, sagte sie.
Wie Schwartzman, Cordero und ihre Kollegen in ihrem zeigten aktuelles Papier in Current Biologysind diese vielzelligen Formen entstanden, weil die Bakterien einen viel komplexeren Lebenszyklus entwickelt haben, als man ihn gewöhnlich bei einzelligen Organismen sieht.
Gesellschaft zum Abendessen
Schwartzman kam zu diesen Entdeckungen über die Mehrzelligkeit von Meeresbakterien, während er versuchte, etwas Grundlegenderes zu lernen: wie sie sich ernähren.
Im offenen Meer ist die einzige Energiequelle für Meeresmikroben oft ein gallertartiges Kohlenhydrat namens Alginat. Im Gegensatz zu Glucose, Fructose und anderen einfachen Zuckern, die leicht eine Zellmembran passieren können, besteht Alginat aus langen, gewundenen Strängen, die oft größer sind als die Bakterien, die sich von ihnen ernähren. Schwartzman wollte mehr darüber wissen, wie sich die Bakterien effizient ernähren, da die Verdauungsenzyme, die sie zum Abbau des Alginats absondern, leicht verdünnt und in den Gewässern des offenen Ozeans weggeschwemmt werden könnten.
Deshalb begannen sie und Ali Ebrahimi, ein weiterer Postdoc in Corderos Labor, damit, das Wachstum des lumineszierenden Meeresbakteriums zu messen Vibrio superbus in Fläschchen mit warmer, mit Alginat beladener Brühe. In vielen mikrobiologischen Experimenten versorgen Wissenschaftler Mikroben mit einem Sammelsurium an Nährstoffen, um die Zellen dazu anzuregen, sich so schnell wie möglich zu teilen, aber die Kolben von Schwartzman und Ebrahimi erzwangen dies Vibrio Bakterien ernähren sich von relativ kleinen Mengen übergroßer Alginatpolymere, genau wie im Meer.
Doch als Schwartzman anfing, Daten zu sammeln, dachte sie, sie hätte einen Anfängerfehler gemacht. Wenn sich Bakterien vermehren, verwandeln sie die klare, bernsteinfarbene Kulturbrühe in einen trüben Eintopf. Durch die Messung der Trübung konnte Schwartzman die Anzahl der Mikroben in der Flasche extrapolieren und eine Wachstumskurve erstellen, um abzuschätzen, wie schnell sich die Zellen teilten. Bakteriologen schätzen seit Jahrzehnten Wachstumsraten auf diese Weise. Als Postdoc hatte Schwartzman aufgehört zu zählen, wie oft sie das im Laufe der Jahre getan hatte.
Die Wachstumskurve für sie Vibrio Kulturen zeigten jedoch nicht die übliche sanft ansteigende Linie, sondern eher ein holpriges Kringeln wie die Spur einer Achterbahn. Egal wie oft sie den Vorgang wiederholte, die Bakterien erzeugten nicht die erwartete Trübung in der Brühe.
Eine mikroskopische Schneekugel
Um zu überprüfen, was los war, gab Schwartzman einen Tropfen der Kulturlösung auf einen Objektträger aus Glas und spähte mit 40-facher Vergrößerung durch die Linse. Was sie und Ebrahimi sahen, waren keine Schwärme von Individuen Vibrio sondern schöne, geschichtete Kugeln, die aus Hunderten oder Tausenden von zusammenlebenden Bakterien bestehen.
"Es war nicht nur ein Klecks Bakterien", sagte Schwartzman. "Es ist ein kugelförmiges Ding, und Sie können sehen, wie sich die Zellen in der Mitte vermischen."
Weitere Arbeiten zeigten, dass die Hohlkugeln waren Vibrio's Lösung für die komplizierte Herausforderung, auf See zu essen. Ein einzelnes Bakterium kann nur so viel Enzym produzieren; Der Abbau von Alginat geht viel schneller, wenn Vibrio zusammenklumpen können. Es ist eine Gewinnstrategie, sagt Schwartzman – bis zu einem gewissen Punkt. Wenn es zu viele sind Vibrio, übersteigt die Zahl der Bakterien das verfügbare Alginat.
Die Bakterien lösten das Rätsel, indem sie einen komplexeren Lebenszyklus entwickelten. Die Bakterien leben in drei verschiedenen Phasen. Zunächst teilt sich eine einzelne Zelle immer wieder und die Tochterzellen drängen sich zu wachsenden Klumpen zusammen. In der zweiten Phase ordnen sich die verklumpten Zellen zu einer Hohlkugel neu an. Die äußersten Zellen kleben sich zusammen und bilden so etwas wie eine mikroskopisch kleine Schneekugel. Die Zellen im Inneren werden mobiler und schwimmen herum, während sie das eingeschlossene Alginat verbrauchen. In der dritten Phase reißt die spröde äußere Schicht auf und gibt die gut genährten inneren Zellen frei, um den Kreislauf von neuem zu beginnen.
In der Tat, Vibrio zu einem heterogenen Zellgemisch, in dem die Bakterien ihr Verhalten in jeder Phase durch unterschiedliche Gene steuern. Wenn die Zellen mit ihren Nachbarn in der Struktur interagieren, entsteht „eine überraschende Menge an Komplexität“, sagte Schwartzman, die im Januar ihr eigenes Labor an der University of Southern California eröffnet. „Die Bakterien nehmen ständig Informationen aus ihrer Umgebung auf und reagieren manchmal auf eine Weise, die die Umgebung verändert.“
Diese Komplexität zahlt sich aus Vibrio In vielen Wegen. Durch die Umstellung ihres Lebenszyklus auf ein vielzelliges Stadium können die Bakterien das Alginat effizient verdauen: Ihre Zahl nimmt zu, und die hohle Hülle hilft, die Enzyme zu konzentrieren. Gleichzeitig verhindert die Struktur der Gemeinschaft, dass zu viele Zellen geboren werden. Die Zellen in der Schale verlieren die Möglichkeit, sich zu vermehren, aber ihre DNA lebt in der nächsten Generation trotzdem weiter, da alle Zellen in der Kugel Klone sind.
Wie häufig ist Mehrzelligkeit?
Das Werk sei „ein schönes Papier“, heißt es Jordi van Gestel, der am European Molecular Biology Laboratory die Evolution der mikrobiellen Entwicklung untersucht und nicht an der Forschung beteiligt war. Van Gestel sagt, dass die Ergebnisse die Idee untermauern, dass das Leben in mikrobiellen Gruppen keineswegs die Ausnahme ist, sondern die Norm.
"Es veranschaulicht auf wunderbare Weise die Komplexität des Lebenszyklus in solch einfachen Bakterien", sagte er.
Anahit Penesjan, ein Mikrobiologe an der Macquarie University in Australien, sagt, dass die Arbeit von Schwartzman und Cordero eine nützliche Herausforderung für vorgefasste Meinungen über Bakterien darstellt. „Es ist in unser Verständnis eingraviert, dass eine Mikrobe nur eine einzelne Zelle ist“, sagte sie, und folglich suchen Forscher oft nicht nach komplexen Verhaltensweisen, die das mikrobielle Leben dominieren könnten. "Es ist, als würde man einen Pflanzensamen oder eine Spore betrachten und versuchen, daraus zu schließen, wie die ganze Pflanze beschaffen ist."
The new Vibrio Die Entdeckung ergänzt eine wachsende Liste von Mikroben, die zumindest für einen Teil ihres Lebens mehrzellig werden können. Letztes Jahr berichteten Forscher des Georgia Institute of Technology, dass sich einzellige Hefen in ihrem Labor entwickelt haben riesige mehrzellige Form in nur zwei Jahren. Und im Oktober Forscher in Japan gaben ihre Entdeckung bekannt von Bakterien, die an den Wänden von Höhlen zu vielzelligen Strukturen heranwachsen; Wenn die Felsen von unterirdischen Flüssen überflutet werden, stoßen die Strukturen spezialisierte Zellen wie Samen aus, um andere Orte zu besiedeln.
Schwartzman und van Gestel glauben beide, dass sich die Fähigkeit zur Vielzelligkeit schon früh in der Lebensgeschichte entwickelt hat und mit den alten Cousins der Bakterien, den Archaeen, geteilt wird, die ebenfalls einzellig zu sein scheinen. Sie denken, dass es nur eine Frage der Zeit ist, bis Forscher andere Arten mit ähnlichen Eigenschaften finden – und Schwartzman hat bereits mit der Suche begonnen.
James Shapiro, eine pensionierte Mikrobiologin von der University of Chicago, hat kaum Zweifel, dass sie es finden wird.
Ab den 1980er Jahren haben Shapiro und andere Koryphäen der Mikrobiologie wie z Bonnie Bassler an der Princeton University zeigten, dass die einzellige Lebensweise gut untersuchter Bakterien oft ein Artefakt der künstlichen Flaschenumgebungen war, in denen sie gezüchtet wurden. Im ein 1998-Artikel der Jahresrückblick auf Mikrobiologieargumentierte Shapiro, dass Bakterien keine einzelligen Einzelgänger sind. „Ich kam zu dem Schluss, dass im Grunde alle Bakterien mehrzellige Organismen sind“, sagte er.
Während seiner vier Jahrzehnte dauernden Karriere erlebte Shapiro, wie sich seine Hypothese von fast ketzerisch zu unumstößlich wandelte. "Zuerst bekam ich nur verwirrte Aufmerksamkeit, aber jetzt ist es zur konventionellen Weisheit geworden", sagte er. „Vielzelligkeit ist eine inhärente Eigenschaft von Bakterien.“
Anmerkung des Herausgebers: Cordero ist Co-Direktor der Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems. Die Forschung von Schwartzman, Cordero und ihren Kollegen wurde durch diese Zusammenarbeit von der Simons Foundation unterstützt, die auch dieses redaktionell unabhängige Magazin sponsert.
