Schutzradar für Bakterien

Räuber-Beute-Beziehungen gibt es in nahezu allen Ökosystemen. Sogar die für uns unsichtbare Welt der Mikroorganismen folgt diesem Prinzip im Kampf um das Überleben der eigenen Art. Wie das Bakterium Pseudomonas syringae ein chemisches Radar einsetzt, um feindliche Amöben aufzuspüren und zu töten, wurde jetzt in einer Studie im renommierten Fachjournal "Cell" veröffentlicht.

Die Erforschung der Kommunikation von Mikroorganismen trägt zum Verständnis der komplexen ökologischen Wechselwirkungen in unserer Umwelt bei und ist Forschungsschwerpunkt des Exzellenzclusters „Balance of the MicroverseExterner Link“. Ein Forschungsteam des Clusters am Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie – Hans-Knöll-Institut (Leibniz-HKI) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat in einer Studie die Interaktion zwischen Amöben, Bakterien und Pflanzen untersucht. An der Studie waren auch Forschende der Universität Bayreuth beteiligt. Die Ergebnisse eröffnen neue Wege für die Entdeckung bioaktiver Naturstoffe.

Das hartnäckige Pflanzenpathogen und ein Einzeller mit Teamgeist

Die Bakterienart Pseudomonas syringae ist ein allgegenwärtiges Pflanzenpathogen. Der Erreger dringt über natürliche Öffnungen oder Verletzungen in die Pflanze ein, infiziert diese und kann so erhebliche Schäden in der Landwirtschaft anrichten. Ein natürlicher Feind des Bakteriums ist die soziale Amöbe Polysphondylium pallidum. Diese Amöbe frisst als Einzeller Bakterien. Wird jedoch Nahrung knapp, schließen sich die Einzeller zu mehrzelligen Strukturen zusammen und bilden dann Sporen aus, die leicht in eine neue Umgebung gelangen können. Somit ist die Amöbe zwar nicht direkt am Krankheitsprozess der Pflanze beteiligt, sie ist jedoch ein wichtiger Fressfeind, der das Bakterium zur Entwicklung hochwirksamer Abwehrmechanismen zwingt, um zu überleben.

Eine Amöbe tötet sich selbst

Das Forschungsteam um Pierre Stallforth, Professor an der Universität Jena und Abteilungsleiter am Leibniz-HKI, hat nun einen bisher unbekannten Abwehrmechanismus von Pseudomonas syringae identifiziert. „Wir konnten zeigen, wie das Bakterium ein chemisches Radar einsetzt, um die feindlichen Amöben zu erkennen und zu eliminieren. Interessanterweise spielen die Amöben selbst eine entscheidende Rolle bei ihrer eigenen Auslöschung“, sagt Shuaibing Zhang, Erstautor der Studie. Pierre Stallforth ergänzt: „P. syringae produziert Syringafactine. Das sind chemische Moleküle, die für die Amöbe selbst harmlos sind und dem Bakterium unter anderem eine schnellere Fortbewegung ermöglichen. Wenn die Amöbe mit diesem Molekül in Kontakt kommt, wird es von ihr chemisch verändert. Das Bakterium wiederum besitzt ein spezielles Sensorprotein – den Chemical Radar Regulator (CraR) – das diese veränderten Moleküle erkennt. Dadurch können die Bakterien die Anwesenheit von Amöben aufspüren, woraufhin Gene aktiviert werden, die für die Produktion giftiger Substanzen – der Pyrofactine – verantwortlich sind. Die Pyrofactine töten Amöben und sind interessanterweise Abkömmlinge der durch die Amöben modifizierten Syringafactine.“

Abwehrmechanismus gibt Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Medikamente

Auch die Infektiosität der Bakterien hängt offenbar mit dem chemischen Radarsystem zusammen: So kann P. syringae die Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana – die Pflanze wird aufgrund ihrer Eigenschaften in der Genetik und Pflanzenforschung als Modellorganismus eingesetzt – in Gegenwart von Amöben nur dann infizieren, wenn das Bakterium ein aktives „chemisches Radar“ besitzt und damit gegen den Fressfeind verteidigungsfähig ist.

Die Studie liefert wertvolle Erkenntnisse für das komplexe Wechselspiel im Zusammenleben von Mikroorganismen, Einzellern und höheren Pflanzen. Sie bietet damit auch Ansatzpunkte für die Entdeckung neuer bioaktiver Naturstoffe, die dem Menschen als Medikamente oder in der Schädlingsbekämpfung nützlich sein könnten.

Zahlreiche Fördermittelgeber haben die wegweisende Studie unter der Leitung des Leibniz-HKI ermöglicht, darunter die Werner Siemens-Stiftung, die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters „Balance of the MicroverseExterner Link“ und des Sonderforschungsbereiches ChemBioSys. Die Länder Hessen und Thüringen unterstützten das Projekt zudem mit Mitteln aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).