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So funktioniert die "Klimaanlage" in Bakterien

Selbst einfache Bakterien wie Escherichia coli haben die Möglichkeit, Temperaturschwankungen zu kompensieren. Wie sie das machen, haben Wissenschaftler am Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg unter der Leitung von Prof. Dr. Victor Sourjik herausgefunden. Der „bakteriellen Klimaanlage“ liegt ein temperaturabhängiges Chemotaxis-Proteinnetzwerk zugrunde.

Temperaturschwankungen beeinträchtigen die meisten lebenden Organismen. Säugetiere und Vögel halten ihre Körpertemperatur durch aufwendige Systeme konstant. Wie einfache Coli‐Bakterien, die diese Möglichkeit zum Temperaturausgleich nicht besitzen, dennoch die Schwankungen ausgleichen, konnten Wissenschaftler am Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg entschlüsseln. Um herauszufinden wie diese „bakterielle Klimaanlage“ funktioniert, haben sie einen Modellorganismus, das Darmbakterium Escherichia coli (E. coli), untersucht. Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten unter der Leitung von Prof. Dr. Victor Sourjik wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Cell“ veröffentlicht.

Prof. Dr. Victor Sourjik © ZMBH

Die meisten lebenden Organismen sind ständig Temperaturschwankungen ausgesetzt, zum Beispiel durch die Temperaturänderungen im Tagesverlauf oder in größeren Zyklen wie den Jahreszeiten. Diese Temperaturänderungen wirken auf alle chemischen Reaktionen in betroffenen Organismen und können leicht zu Störungen im Verhalten, im Stoffwechsel oder in der Entwicklung führen. So haben biologische Organismen Mechanismen entwickelt, die eine Kompensation externer Temperaturschwankungen ermöglichen. Säugetiere und Vögel halten ihre Körpertemperatur mit aufwendigen Systemen und unter hohem Energieverbrauch konstant. Was aber machen einfachere Organismen, die diese komplexe Möglichkeit der Temperaturregulation nicht besitzen? Am Beispiel des chemotaktischen Verhaltens von Escherichia coli zeigen die Heidelberger Wissenschaftler, wie eine solche Temperaturkompensation bei Bakterien funktionieren kann.

Als Chemotaxis wird eine gerichtete Bewegung der Zellen oder Organismen zu der Quelle eines chemischen Stoffes bezeichnet. Wie höhere Organismen können Bakterien mittel Chemotaxis Nährstoffquellen in der Umgebung aufsuchen. Dies beruht auf einer relativ komplexen Strategie, wobei Bakterien die Konzentration chemischer Stoffe entlang ihres Wegs über die Zeit vergleichen und entsprechend ihre Schwimmrichtung anpassen. Die Temperatur beeinflusst sowohl die Schwimmgeschwindigkeit der Bakterien als auch alle chemischen Reaktionsgeschwindigkeiten in dem Chemotaxis‐Proteinnetzwerk, das dieser Entscheidungsstrategie zu Grunde liegt. Die aktuelle Untersuchung zeigt, dass sich die - teils sehr starken - Temperatureffekte auf einzelne Parameter in der Summe genau ausgleichen, so dass das Chemotaxis‐Netzwerk am Ende fast perfekt temperaturkompensiert ist.

„Besonders interessant war der Befund, dass die Bakterien sich auf ihre jeweilige Wachstumstemperatur einstellen können“, erläutert Prof. Sourjik. „Das bedeutet, dass Chemotaxis am besten bei der Temperatur funktioniert, bei der die Bakterien gerade wachsen.“ Wie der Heidelberger Wissenschaftler betont, finden sich biologische Prinzipien einfacher Organismen in ähnlicher Form in höheren Organismen. „Wir gehen davon aus, dass sich in mehrzelligen Lebewesen sehr ähnliche Regelmechanismen entdecken lassen“, so Prof. Sourjik.

Das Chemotaxis-Netzwerk von E. coli dient dem Team von Prof. Sourjik auch als Modellsystem für die Untersuchung von signalverarbeitenden Komplexen höherer Ordnung. Neben dem Einsatz verschiedener Fluoreszenzmikroskopie-Techniken, mit denen die Forscher die intrazelluläre Lokalisation und die Interaktionen der beteiligten Proteine kartieren, werden in Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsgruppen Computermodelle für eine detaillierte quantitative Beschreibung der Netzwerke in silico eingesetzt. Damit kann erklärt werden, warum das beobachtete Netzwerk einen evolutionären Vorteil bietet und in seinem Design so robust ist. Um diese Schlussfolgerungen zu überprüfen, werden auch andere Signalnetzwerke von Mikroorganismen analysiert wie zum Beispiel das MAP-Kinase-Netzwerk in der Hefe Saccharomyces cerevisiae.

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