Schwimmende Bakterien formen ihre Gemeinschaft
Indem sie Nichtschwimmer mit sich ziehen, bestimmen schwimmende Bakterien
die Struktur gemischter Mikrobenverbände
Bakteriengemeinschaften sind für den Menschen von großer Bedeutung. Doch
wie entsteht die komplexe Struktur, die für das Funktionieren der Arten
entscheidend ist? Wie ein Forscherteam um Dr. Remy Colin vom Max-Planck-
Institut in Marburg herausgefunden hat, reichen dafür im Prinzip rein
physikalische Wechselwirkungen zwischen schwimmenden und nicht
schwimmenden Bakterien aus.
Im Labor hält man Bakterien meist in Reinkultur. Doch in ihrer natürlichen
Umgebung sind Mikroben viel geselliger und leben in komplexen, klar
strukturierten Gemeinschaften zusammen. Diese „Bakterien-WGs“ spielen für
uns Menschen eine wichtige Rolle – sei es für die Gesundheit, in Darm-
oder Zahnbelag-Mikrobiomen, als Kontaminationen (wie Biofilme in und auf
medizinischen Geräten), in der Landwirtschaft (Mikroben in
Pflanzenwurzeln), oder in industriellen Prozessen (bakterielle Filter in
Kläranlagen).
Es wird immer zunehmend deutlich, dass die von den verschiedenen Arten
aufgebaute räumliche Struktur entscheidend dafür ist, dass die Arten
innerhalb dieser Gemeinschaften gut funktionieren. Wegen ihrer Komplexität
ist über die Entwicklung und Dynamik der Strukturen jedoch nur wenig
bekannt. Bislang konzentrierte sich die Forschung zu komplexen
mikrobiellen Gemeinschaften hauptsächlich auf die biochemischen
Interaktionen zwischen den Mitgliedern. Im Gegensatz dazu ist der Einfluss
der physikalischen Interaktionen nach wie vor unklar. Das gilt
insbesondere für die Wechselwirkungen, die durch die für Bakterien
typische Schwimmbewegung entstehen.
Ein kleiner Schwimmeranteil und eine feste Oberfläche genügen
Dr. Remy Colin und sein Team in der Abteilung von Prof. Dr. Victor Sourjik
am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie erforschen die
Biophysik beweglicher Mikroorganismen. Bei der Untersuchung der
physikalischen Wechselwirkungen in artenübergreifenden
Bakteriengemeinschaften entdeckten sie, dass schwimmende Bakterien die
Bildung bestimmter räumlicher Strukturen auslösen. Die Schwimmer bewirken
durch rein physikalische Wechselwirkungen, dass andere (nicht schwimmende)
Bakterien großflächige Muster bilden. Dies geschieht in der Nähe von
festen Oberflächen, wo sich die Schwimmer sammeln und im Kreis schwimmen.
"Die kreisenden Schwimmer lösen Strömungen aus, die die nicht schwimmenden
Zellen mit sich ziehen, ähnlich wie Nudeln in kochendem Wasser. Aufgrund
ihrer relativ hohen Ablagerungsrate kommt es jedoch zu angrenzenden
Regionen, in denen sich die Bakterien anreichern bzw. weniger werden,
wodurch die Muster entstehen. Durch das Anhaften der Zellen aneinander
entstehen dann strukturierte Gebilde, die diese ansonsten dynamischen
Muster zu einer relativ starren Architektur verfestigen", sagt Silvia
Espada Burriel, Doktorandin und Erstautorin der Studie. Die Forscher
machten ihre Entdeckung durch eine Kombination von mikroskopischen
Experimenten und zahlengestützten Simulationen.
Bemerkenswert ist, dass für den Mechanismus nur eine kleine Menge
schwimmender Bakterien und eine Oberfläche erforderlich sind. Obwohl die
Forscherinnen und Forscher den Prozess in einem gut kontrollierten
Modellsystem untersucht haben, ist es sehr wahrscheinlich, dass er in
einer Vielzahl natürlicher Situationen auftritt. "Unsere Entdeckung
eröffnet eine neue Perspektive auf die Organisation mikrobieller
Gemeinschaften", sagt Remy Colin. "Die meisten bisherigen
Forschungsarbeiten haben sich auf die Rolle von Interaktionen
konzentriert, die durch bestimmte chemische Substanzen vermittelt werden,
die Bakterien produzieren, verbrauchen und/oder austauschen.“
Neue Perspektive auf die Organisation mikrobieller Gemeinschaften
Diese Ergebnisse sind ein Schritt auf dem Weg zu einem besseren
Verständnis der Architektur und Funktion mikrobieller Gemeinschaften. Doch
die Forscher sind noch lange nicht am Ende ihrer Reise angelangt, wie Remy
Colin betont. "Fragen, die wir derzeit untersuchen, sind zum Beispiel,
wie dieser physikalische Mechanismus mit den chemischen Wechselwirkungen
in echten mikrobiellen Gemeinschaften interagiert oder wie er auf äußere
Begrenzungen reagiert, zum Beispiel auf große Strömungen, wie sie in
Rohren, im Darm oder im Meer vorkommen.“
