Wirbel aus Myxobakterien bei 10-facher Vergrößerung. (D. Wall/Universität Wyoming) Die Grenze zwischen Kunst und Wissenschaft ist manchmal fließend. Forscher, die ein soziales Bakterium untersuchen, das sich in koordinierten Schwärmen bewegt und ernährt, haben unbeabsichtigt etwas nachgebildet, das einem bekannten Meisterwerk sehr ähnlich sieht.
Wenn ein bestimmtes Gen in einem Bakterium überexprimiert wird, bekannt als Myxococcus xanthus , organisieren sich die einzelnen Organismen innerhalb von Stunden selbst zu winzigen kreisförmigen Schwärmen.
Sobald die resultierenden Schwärme künstlich gefärbt sind, sieht die Szene der von Van Gogh verblüffend ähnlich Die Sternreiche Nacht .
(D. Wall/Universität Wyoming)
Oben: Eine Mischung aus zwei Myxobakterienstämmen, einer, der TraAB überexprimiert (gelb), und einer, der nicht adhäsiv und nicht reversibel ist (blau), bei 10-facher Vergrößerung.
„Unsere Arbeit zeigt, wie ein soziales Bakterium, das für seine reichhaltigen Quellen an therapeutischen Naturprodukten und als Mittel zur biologischen Pflanzenkontrolle bekannt ist, als leistungsstarkes Modell für die Untersuchung neu entstehender Verhaltensweisen dient, die auch künstlerische Schönheit aufweisen.“ sagt Mikrobiologe Daniel Wall von der University of Wyoming.
Die Sternreiche Nacht. (Vincent van Gogh/Wikimedia Commons/Public Domain)
Bakterien haben den Ruf, egoistisch zu sein, aber M. xanthus wird als soziales Bakterium bezeichnet, da es zum Überleben Verwandte finden und erkennen muss.
Nachdem es große, familiäre Klumpen gebildet hat, kann dieses stäbchenförmige Bakterium seine Beute viel besser angreifen, um sich zu ernähren. Jede Zelle produziert Verdauungsenzyme erleichtern die Raubtierfütterung .
Forscher sind schon seit Jahren von diesem Sozialverhalten fasziniert, doch ein umfassendes und allgemein akzeptiertes Modell für ihre komplexen Bewegungen fehlt noch immer.
Im Jahr 2017 kündigten Wall und seine Kollegen dies an Entdeckung eines einzelnen genetischen „Schalters“, der für das Ein- und Ausschalten dieses Gruppierungsverhaltens verantwortlich ist.
Der Schalter steuert speziell eine Proteinsequenz namens TraA, die dem Bakterium einen Oberflächenrezeptor zur Verfügung stellt, damit es den Partnerrezeptor TraB auf seinem Verwandten erkennt und sich daran bindet.
Sobald es sich über diese beiden Rezeptoren (TraAB) an ein Familienmitglied geheftet hat, kann das Bakterium Nährstoffe und Proteine mit dem Rest der Gruppe austauschen.
Wenn der Schwarm auf Nahrung trifft, zeigen Laboruntersuchungen, dass die Organismen dies können tatsächlich bündeln sie ihre Enzyme und Metaboliten über diese Verbindungen, um ihrer Beute den stärksten Schlag zu versetzen.
Doch all das änderte sich, als das Team mutierte Bakterien dazu brachte, TraAB-Verbindungen zu überexprimieren. Diese Verbindung ermöglicht es den Zellen überhaupt erst, zusammenzuhalten, aber wenn zu viel von diesem „sozialen Klebstoff“ vorhanden ist, kann der Schwarm nicht so leicht auseinanderbrechen und seine Form oder Richtung ändern.
(Wall/Universität Wyoming)
Oben: Myxobakterien aus einem Stamm, der TraAB überexprimiert (grün), und einem Stamm, der nicht adhäsiv und nicht reversibel ist (rot), bei 4-facher Vergrößerung.
„In normalen Wildtyp-Zellen fahren sie hin und her, hin und her, wie ein Nahverkehrszug.“ erklärt Bioingenieur Oleg Igoshin an der Rice University.
„Der Kopf wird zum Schwanz und der Schwanz wird zum Kopf.“ Und sie machen es etwa alle 8 Minuten.'
Eine Überexpression von TraAB scheint den Schwarm jedoch daran zu hindern, seinen Kopf zum Schwanz zu wechseln und umgekehrt.
Dies ist, was Computermodelle vermuteten, aber die Autoren konnten immer noch nicht herausfinden, warum. Soweit sie wussten, war die TraAB-Verbindung nicht direkt an der Regulierung der Bewegungen des Schwarms beteiligt, sondern nur an seiner Klebrigkeit.
Letztendlich vermutete das Team, dass die klebrige Eigenschaft von TraB den Zellschwarm indirekt daran hinderte, seine Richtung zu ändern.
„Unsere Idee war, dass es vielleicht eine Art kontaktabhängiges Signal zwischen Zellen gibt, das die Umkehrungen unterdrückt.“ erklärt Igoschin.
„Die Zellen liegen in dichten Gruppen und stehen ständig in Kontakt mit anderen, aber diese Kontakte sind vorübergehend.“ Aber wenn die TraAB-Überexpression Sie wirklich klebrig macht, wird Ihr Nachbar länger Ihr Nachbar bleiben, und das könnte das Signal auslösen, das die Umkehrungen unterdrückt.“
(D. Wall/Universität Wyoming)
Oben: Zwei Myxobakterienstämme, die verschiedene Arten von TraA-Rezeptoren (rot und grün) überexprimieren, die an sich selbst, aber nicht aneinander haften.
Indem sie dieses Szenario in Computermodellen durchführten, konnten die Autoren ihre Vermutung bestätigen. Mit nur Änderungen an der TraAB-Verbindung wurden die üblichen Kopf-an-Schwanz-Schwärme plötzlich zu rotierenden Zellwirbeln mit einer Größe von einem Millimeter oder mehr.
Weitere Experimente im Labor bestätigten dann, dass dies auch bei den Bakterien im wirklichen Leben der Fall war. Insbesondere können die Wirbel auftreten, wenn eine Sorte Klebrigkeit überexprimiert, aber auch, wenn eine Sorte genetisch so verändert wird, dass sie direkt „nicht umkehrbar“ ist.
Das Ergebnis ist nicht nur ein besseres Verständnis darüber, wie Millionen von Zellen ihre Bewegungen koordinieren, sondern auch ein faszinierendes Bild der mikrobiellen Welt.
Die Studie wurde veröffentlicht in mSystems .