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Altruismus: Bakterien opfern sich für die Kolonie auf

Bakterienkolonie
Die erfolgreiche Verteidigung einer Bakterienkolonie gegen Antibiotika hängt offenbar auch von der Bereitschaft einzelner Keime ab, sich selbst zu schaden, um die gesamte Kolonie zu warnen und sie dadurch zu schützen. Dies legt zumindest eine Studie von James Collins vom Howard Hughes Medical Institute in Boston und seinen Kollegen nahe: Die Mikrobiologen entdeckten, dass eine Bakteriengruppe immer resistenter ist als ihre einzelnen Mitglieder, weil Einzelkeime ihre Nachbarn mit einem Signalmolekül auf steigende Antibiotikakonzentrationen vorbereiten.

Im Experiment hatten die Forscher eine Population von Escherichia-coli-Bakterien über zehn Tage hinweg mit steigenden Dosen der wachstumshemmenden Antibiotika Norfloxacin oder Gentamycin traktiert. Dabei verglichen sie täglich, ab welcher Konzentration die gesamte Gruppe sowie einzelne Bakterien der Kolonie ihr Wachstum einstellten. Wie erwartet zeigte sich die Kolonie nach und nach zunehmend unbeeindruckt von dem Wachstumshemmer – überraschenderweise aber erwiesen sich dabei einzelne Bakterien meist als etwas weniger resistent als die gesamte Gemeinschaft.

Altruistischer Schutz einer Bakterienkolonie | Ein Resistenzmechanismus, von dem nicht einzelne Bakterien, sondern die ganze Kolonie profitiert: Ohne durch Antibiotika verursachten Stress produzieren alle Zellen Indol (a, linkes Bild), sie stoppen die Produktion aber, sobald Antibiotika ihnen zusetzten, und sterben dann auch bald ab (b, Mitte). Wenige, zufällig entstandene und resistentere Mutanten (deren nützliche Mutation übrigens an verschiedenen Stellen sitzen kann) überleben aber auch unter dem antibiotikabedingten Stress – und haben sogar noch genug Kapazitäten, um weiterhin Indol produzieren zu können und auszuschütten (c, rechts). Das kommt nun allen Keimen zugute, denn Indol induziert verschiedene Zellprozesse, die die Toleranz der Zellen gegen Antibiotika erhöhen.
Dies resultierte daraus, dass einige wenige, dafür aber besonders resistente Keime beim Kontakt mit den Antibiotika das kleine Signalmolekül Indol ausschütten, ermittelten die Forscher weiter. Das ist ungewöhnlich, weil Bakterien die Produktion von Indol in der Gegenwart von Wachstumshemmern normalerweise sofort einstellen, nachdem es für ihr Überleben weniger essenziell ist. In der Kolonie kurbelt Indol nun aber kollektiv Abwehrmaßnahmen der Keime gegen Norfloxacin an: Nehmen Bakterien das Signal wahr, so schalten sie Pumpen ein, die Fremdchemikalien aus der Zelle hinausbefördern, und aktivieren zudem Mechanismen, die oxidative Stressschäden verhindern.

Die Forscher fragen sich nun, warum die wenigen Indolproduzenten sich die energieaufwändige Produktion des Signalmoleküls leisten, um ihre Artgenossen zu schützen. Offenbar lohne es sich auch für Bakterien auf lange Sicht, die Gemeinschaft zu schützen und gemeinschaftlich zu agieren. Kollektives Handeln von Bakterien beobachtet man etwa auch bei Prozessen wie dem Quorum sensing oder dem abgestimmt aufgeteilten Stoffwechsel innerhalb von Biofilmen. Offenbar sorgen hier Evolutionsprozesse dafür, dass sich gelegentlicher Altruismus Einzelner für die Art insgesamt lohnt. (jo)

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  • Quellen
Lee, H.H. et al.: Bacterial charity work leads to population-wide resistance. In: Nature 467, S. 82–85, 2010.

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