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Neues Graduiertenkolleg erforscht Überlebensstrategien von Bakterien

Die Universität Tübingen richtet ein neues DFG-finanziertes Graduiertenkolleg ein, bei dem Doktoranden aus zwölf Arbeitsgruppen die Überlebensstrategien von Bakterien erforschen. Die Ergebnisse sollen der Entwicklung neuer antimikrobieller Wirkstoffe zugute kommen. Sie haben außerdem einen hohen Nutzwert für die Epidemiologie und die Ökologie.

Die Mikrobiologie/Infektionsbiologie ist einer von fünf Forschungsschwerpunkten der Universität Tübingen. Die Expertisen in diesem Bereich fließen auch in das Graduiertenkolleg (GK) „Molekulare Mechanismen bakterieller Überlebensstrategien“ ein. Es wurde in diesem Jahr von der DFG bewilligt und soll im April 2012 starten. Beteiligt sind zwölf Forschergruppen, die das Thema mit ihrer biologischen, geologischen, klinischen und organochemischen Kompetenz bearbeiten. Mit insgesamt 2,1 Millionen Euro werden in den nächsten viereinhalb Jahren 13 Doktoranden-Stipendien, Sachmittel und Ausbildungsdienstleistungen finanziert. Nach der dann anstehenden Evaluierung können die Organisatoren auf eine Verlängerung um weitere viereinhalb Jahre hoffen.

„Bakterien kommen praktisch überall vor, und zwar, weil sie sich gut anpassen können. Wir wollen uns nun verstärkt der Frage widmen, wie diese Anpassungsleistungen im Detail funktionieren“, erklärt GK-Sprecher Prof. Dr. Karl Forchhammer vom Interfakultären Institut für Mikrobiologie und Infektionsmedizin (IMIT) an der Universität Tübingen. Er betont, dass das Thema ganz bewusst allgemein gehalten wurde, um Spielraum für die Vertiefung neuer interessanter Aspekte zu haben. Da die Erforschung bakterieller Überlebensstrategien noch in den Anfängen steckt, gäbe es noch viel zu entdecken.

Bei Stickstoffmangel-Chlorosen der Cyanobakterien geht die Photosysnthese-Aktivität bis auf ein Promille des Normwertes zurück - das reicht den Bakterien zum Überleben. © Prof. Forchhammer, Universität Tübingen

„Wo Bakterien leben und was sie zum Wachstum brauchen, ist recht gut untersucht. Wachstum ist aber in der Natur nicht der Normalfall, sondern ein Ausnahmezustand. Bisher hat man sich in der Forschung jedoch hauptsächlich für diesen Ausnahmezustand interessiert“, so Forchhammer. In einem prominenten Fall hat sich diese Vernachlässigung bereits negativ bemerkbar gemacht, nämlich bei den EHEC-Infektionen im Frühjahr 2011. „Auch den Wissenschaftlern war nicht durchgängig präsent, dass Escherichia coli in einer Pflanzensprosse überleben können. Bisher hatte man sich um solche Überdauerungsformen einfach nicht so sehr gekümmert. Der ‚Default-Modus’ eines Bakteriums ist jedoch der Nährstoffmangel, er führt zu einem wachstumslimitierten Zustand, in dem die Bakterien auch in ungewöhnlichen Habitaten überleben können“, erklärt Forchhammer.

Bakterielle Hauptbeschäftigung: durchhalten und überleben

Der Grund für die Entwicklung ausgefeilter Überlebensstrategien ist das exponentielle Wachstum der Bakterien. Es führt zu einer rasanten Zunahme der Zellmasse und geht mit einem raschen Verbrauch der Nährstoff-Ressourcen einher. „Bakterielles Wachstum wird in der Natur immer begrenzt, der permanente Hungerzustand wird nur gelegentlich unterbrochen. Selbst Bakterien im menschlichen Darm hungern die meiste Zeit des Tages über“, ergänzt Forchhammer. Die hunger- und stressbedingten Überlebensstrategien sind zwar komplex und vielfältig, jedoch „die fundamentalen Überlebensfähigkeiten müssen schon früh in der Evolution festgelegt worden sein. Daher erwarten wir weitreichende Gemeinsamkeiten zwischen unterschiedlichen Bakteriengruppen“, so Forchhammer weiter.

Die Überlebensfähigkeiten lassen sich einteilen in Entgiftungsmechanismen, den Reparaturstoffwechsel, die Bildung von Schutzsubstanzen und antibiotische Wirkungen. Sie alle führen zu einem Erhaltungsstoffwechsel, um den sich die Projekte des Graduiertenkollegs drehen. Bei den Schutzsubstanzen liegt der Schwerpunkt der Tübinger Forschung auf intrazellulären Schutzproteinen und Hüll-Substanzen. Bei den antibiotischen Wirkungen werden vor allem antibiotisch wirksame Sekundärmetabolite erforscht, die zum Beispiel aktiv ausgeschleust werden, um den Bakterien einen Vorteil zu verschaffen. Ein zentraler Aspekt ist bei allen Untersuchungen der Zeitpunkt des Umschaltens von Wachstum auf Erhaltung, denn dabei greifen wesentliche Regulationsmechanismen.

Bei metabolischer Ruhigstellung bildet Staphylococcus kleine Kolonien. In diesem Zustand sind die Zellen getarnt, geben sich nicht dem Immunsystem zu erkennen und sind widerstandsfähig gegen medikamentöse Behandlung. © Prof. Götz, Universität Tübingen

Weiter Blick, breites Themenspektrum

Was die Bakteriengruppen angeht, sind die Projekte grob in zwei Untergruppen aufgeteilt: Projekte, die sich mit human- und tierpathogenen Bakterien befassen, und solche, bei denen es um umweltrelevante Bakterien geht. Forchhammer selbst erforscht Cyanobakterien. Im Rahmen des Graduiertenkollegs steuert er ein Projekt bei, bei dem es um die Umstellung des photosynthetischen Stoffwechsels bei Stickstoffmangel geht. „Bei Nährstoffmangel finden wir nur noch ein Promille Restaktivität der Photosynthese. Diesen ‚Photosynthese-Stand-By’ von Cyanobakterien wollen wir näher untersuchen“, sagt Forchhammer.

Weitere Projekte befassen sich mit bakteriellen Überlebensstrategien in Biofilmen oder, um ein Beispiel aus der Geomikrobiologie zu nennen, mit der Schutzwirkung von Eisenmineralhüllen bei eisenoxidierenden Bakterien. Eine andere Gruppe befasst sich mit den Anpassungsstrategien, mit deren Hilfe Staphylokokken auf menschlicher Haut überleben, obwohl hier antimikrobielle Fettsäuren vorkommen. In einem weiteren Projekt werden die Gene erforscht, die E. coli das Überleben im Darm ermöglichen, und Gene, die sie vor dem Abtöten bei Entzündung schützen. Auch die Chemie der pflanzenpathogenen Actinomyceten gehört zu den Forschungsthemen des Graduiertenkollegs.

Eisenoxidierende Bakterien bilden als Überlebensstrategie eine Schutzhülle aus Eisen(III)-Mineralien. © Prof. Kappler, Universität Tübingen

Gute Promotionskandidaten gesucht

Laut Forchhammer kommt das Graduiertenkolleg genau zum richtigen Zeitpunkt. „In den letzten zehn, 15 Jahren gab es geradezu eine Revolution in der Analytik, die es uns heute möglich macht, Bakterien auf Einzelzellniveau zu untersuchen. Die Themen lagen geradezu in der Luft, denn wir wissen inzwischen, dass es ein breites Spektrum an Zellverhalten gibt, das es zu erforschen gilt.“ Nachwuchswissenschaftler, die sich für eines der Themen im Graduiertenkolleg interessieren, können sich gerne noch in Tübingen melden. Ende diesen Jahres werden die Stellen und damit verbundenen Stipendien international ausgeschrieben. „Ein sorgfältiges Recruitment ist uns sehr wichtig, denn der Erfolg des Kollegs hängt entscheidend davon ab, dass man gute Leute bekommt“, so Forchhammer, der sich mit seinen Kollegen auf qualifizierte Bewerbungen freut.

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