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Biochemie: Signal zum Angriff

Das Bakterium Brucella abortus besitzt sensible Lichtdetektoren: Spürt es ein Photon, schlägt es unverzüglich los. Dabei machen sich die meisten Bakterien gar nicht so viel aus Licht. Warum besitzen einige von ihnen trotzdem solche pflanzenähnliche Sensoren?
Pflanzen haben ein feines Gespür für das Sonnenlicht: Mit Hilfe spezieller Fotorezeptoren bestimmen sie den Einfallswinkel der energiereichen Strahlen und strecken sich stets unserer Wärmequelle entgegen. Die so gewonnene Energie ist wertvoll, weil sie die Fotosynthese der Pflanzen antreibt und ihr Wachstum garantiert.

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Ein alter Bekannter | Nach zehn Jahren haben Wissenschaftler die LOV-Domäne ein zweites Mal entdeckt: Nachdem sie sie bereits in Pflanzen (Abbildung) nachwiesen, fanden sie den lichtempfindlichen Abschnitt nun auch in Bakterien. Bei Brucella abortus reichen einzelne, blaue Photonen, um die Aggressivität des Pathogens zu verzehnfachen.
Bakterien fristen dagegen oft ein Schattendasein – mit Ausnahme jener Stämme, die ebenfalls auf Fotosynthese angewiesen sind. Doch erstaunlicherweise wimmelt es auch in ihrem Reich vor lichtempfindlichen Detektoren. Einige von ihnen sind den Fotorezeptoren aus der Pflanzenwelt sogar zum Verwechseln ähnlich – etwa jene von Brucella abortus: Dieses Bakterium überlebt mehrere Wochen in nichtpasteurisierter Milch sowie in Käse und löst schlimmstenfalls Brucellose aus. Beim Menschen kommt es zu hohem Fieber, und bei Rindern kann der Erreger Fehlgeburten verursachen.

Bei B. abortus entdeckten Wissenschaftler um Roberto Bogomolni von der Universität von Kalifornien in Santa Cruz nun das Protein LOV-Histidin-Kinase (light oxygen or voltage). Für die Forscher ist die LOV-Domäne eine alte Bekannte, schließlich hatten sie bereits das Vergnügen: Im Jahr 1998 waren sie die ersten, die sie identifizieren konnten – damals aber bei Pflanzen. Neben B. abortus fanden sie LOV noch bei zwei anderen Bakterien, nämlich beim Pflanzenpathogen Pseudonomas syringae und beim Meeresbewohner Erythribacter litoralis. Mindestens 94 weitere Bakterien haben die zugehörige Blaupause zudem in ihrem Genom gespeichert.

Wozu brauchen Bakterien solche lichtempfindlichen Proteine? Und reagieren sie wirklich so empfindlich auf Licht wie Pflanzen? Letzteres scheint bei B. abortus tatsächlich der Fall zu sein. Als die Wissenschaftler jenes Gen blockierten, das die sensible LOV-Domäne kodiert, reduzierte sich die Virulenz des bösartigen Pathogens auf weniger als zehn Prozent seines Normalwerts. B. abortus braucht also blaues Licht, um seine schmutzige Arbeit zu verrichten.

Doch die Forscher wollten es noch genauer wissen: Deshalb schleusten sie die genetischen Kodes der Kinasen von B. abortus, P. syingae und E. litoralis jeweils in das Genom der pflegeleichten Escherichia coli ein. Anschließend beobachteten sie, wie sich die Bakterien entwickeln – zunächst bei absoluter Dunkelheit. Für den Brucellose-Erreger bestätigte dieses Experiment die ersten Ergebnisse: Seine Teilungsrate lag erneut etwa 90 Prozent unter dem Normalwert.

Doch dann knipsten die Forscher das Licht an, und die Reaktion ließ nicht lange auf sich warten: Traf ein blaues Photon auf die sensible LOV-Domäne, schnappte diese ähnlich einem Scharnier zu und veränderte damit die gesamte Struktur des Proteins. Darufhin wurde das Enzym mit einer Phosphatgruppe markiert. Dies setzte ein Kaskade biochemischer Prozesse in Gang – bis das Licht wieder ausgeschaltet wurde. Die exakten Wege für die Signalübertragung konnten die Forscher allerdings noch nicht identifizieren.

Sicher scheint nur, dass dieser zelluläre Mechanismus bei B. abortus die Verteidigung des Bakteriums initiiert, wenn es durch das Immunsystem seines Wirts attackiert wird. Das Pathogen verbreitet sich dann rasch und ist stark virulent. Warum B. abortus seine Virulenz aber über Licht reguliert, ist noch nicht sicher. Möglicherweise erkennt das Pathogen durch Lichteinstrahlung, ob es von seinem Wirt ausgeschieden wurde.

Für das Bakterium ist dies ein widriger Umstand – wie praktisch, dass die Sonne zuverlässig am Himmel scheint und Licht spendet. Dann stehen die Chancen gut, ein paar rettenden Photonen zu erhaschen und damit wieder deutlich gefährlicher zu werden. Schließlich fällt es im Vollbesitz der Kräfte wesentlich leichter, zu überleben oder sogar einen neuen Wirt zu befallen, spekulieren die Forscher. Sicherlich ein guter Grund, um auf Licht besonders sensibel zu reagieren. Dem Gespür der Pflanzen stehen Bakterien eben nicht nach.
25.08.2007

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 25.08.2007

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