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MINUS 1 端ber Bakterien


MINUS 1 端ber Bakterien Alessia Celentano


Alessia Celentano, alessia.celentano@gmx.at

Druck: druckWERKER Wien Papier Buchkern: Munken Pure, 150g/qm Papier Cover: Munken Pure, 300g/qm Bindearbeiten: Buchbinderei Flieger Wien Š 2011 Alessia Celentano


Inhalt

7 Vorwort 8

Kapitel 1

Einleitung

20 1.1

Luca

22

1.2

Stammbaum

26

1.3

Prokaryoten vs. Eukaryoten

32

1.4

Vermehrung

34 1.5

Unsterblichkeit

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Kapitel 2

Bonnie Bassler – Die Kommunikation der Bakterien

62

Kapitel 3

Eshel Ben Jacob – Der soziale IQ der Mikroben

70

Kapitel 4

Analogie


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Vorwort

Bakterien sind mikroskopisch klein und nicht sonderlich kompliziert aufgebaut. Es ist eigentlich erstaunlich, dass diese Organismen in der Lage sind miteinander zu agieren und gewisse Absichten zu verfolgen. Sie kommunizieren mithilfe einer chemischen Sprache. Diese Entdeckung machte die Mikrobiologin Bonnie Bassler. Das Bassler-Team hat das marine Bakterium „vibrio fischeri“ untersucht, welches die Eigenschaft hat, Licht zu erzeugen – wie ein Glühwürmchen. Wenn die Bakterien alleine sind, also in verdünnter Suspension, erzeugen sie kein Licht. Aber wenn sie zu einer gewissen Zellanzahl herangewachsen sind, beginnen alle gleichzeitig zu leuchten. Das heisst, dass „vibrio fischeri“ einen Unterschied feststellt, ob es alleine ist oder in einer Gruppe. Diese Entdeckung hat nicht nur Auswirkungen auf die Medizin und Pharmaindustrie, sondern auch auf das Verstehen unserer selbst. Ein Ziel war es, die Lebensweise der Bakterien in einer visuellen Sprache einem nicht-wissenschaftlichen Publikum nahezubringen. Meiner Überzeugung nach, birgt dieses unscheinbare, auf den ersten Blick unbrauchbare System dieser Organismen für unsere Gesellschaft eine gewisse Relevanz in sich.

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Einleitung


„Als die molekularen Transformationen in den Meeren der Urerde diesen Punkt erreicht hatten, wurde die Bildung von Systemen mit ganz besonderen molekularen Reaktionen möglich. Das heisst: Wegen der nun möglichen Vielfalt und Plastizität im Bereich der organischen Moleküle wurde die Bildung von Netzwerken von molekularen Reaktionen möglich, die wiederum dieselben Klassen von Molekülen, aus denen sie selbt bestehen, erzeugen und integrieren, wobei sie sich im Prozeß ihrer Verwiklichung gleichzeitig gegen den umliegenden Raum abgrenzen. Solche Netze und molekulare Interaktionen, welche sich selbst erzeugen und ihre eigenen Grenzen bestimmen, sind Lebewesen. Solche molekulare Anhäufungen dieser Art, die sich vor mehr als 3.400 Millionen Jahren auf die oben beschriebene Weise gebildet haben, wurden von Forschern, als die ersten fossilen Lebewesen bezeichnet und in der Tat als Fossilien von Lebewesen, die bis zum heutigen Tag existieren: Bakterien und Algen.“ (Humberto R. Maturana, Francisco J. Varela: Der Baum der Erkenntnis – Die biologischen Wurzeln menschlichen Erkennens – Frankfurt am Main: Fischer Taschenbuch Verlag, 2010)

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Bakterien zählen zu den ältesten, einfachsten und individuenreichsten Organismen. Da sie eher als Krankheitserreger bekannt sind, leiden sie unter einem schlechten Ruf. Dabei besiedeln sie praktisch jeden Punkt auf der Erdoberfläche und schaffen dabei die notwendigen Bedingungen für den Fortbestand des Lebens. So werden die meisten chemischen Reaktionen auf unserem Planeten durch Mikroorganismen ausgelöst. Ihre Leistungen prägen die Stoffkreisläufe in Seen und Ozeanen und ermöglichen das Leben von Pflanzen und Tieren. Selbst mehrere hundert Meter unter dem Meeresboden oder in heißen Tiefseequellen gibt es noch bakterielles Leben. Der Mensch ist besiedelt von Millionen von Bakterien, an jeder Stelle unseres Körpers. Zehn hoch 14 Bakterien leben in und auf unserem Körper. Insgesamt trägt ein Erwachsener bis zu 2 Kilo Bakterien mit sich herum. Die beliebtesten Plätze sind die Haut, der Mund und der Darm.

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Eine 10 mit 14 Nullen: Die Anzahl der Bakterien in und auf uns.


Als Erster bekam sie der holländische Kaufmann und passionierte Naturforscher Antony van Leeuwenhoek (1632–1723), unter seinem selbst gebastelten Vergrösserungsgerät, einem Vorläufer des Mikroskops, vor die Augen. Als er aus einem naheliegenden Teich eine Probe entnahm, um sie näher zu betrachten, gewann er Einblicke in eine neue Welt von unbekannten Winzlingen. Wie sich später anhand seiner minutiösen Aufzeichnungen herausstellte, handelte es sich neben einzelligen Tieren (Protozoen) auch um Bakterien, die er jedoch nicht voneinander zu unterscheiden vermochte und somit beide als «animacules» (lat. Tierchen) bezeichnete. Leider hütete er seine, in dieser Epoche einmalige Fähigkeit der Herstellung von Linsen als strenges Geheimnis und war nicht bereit, sie weiterzugeben. So vergingen fast hundert Jahre bis wieder Bakterien beobachtet werden konnten – unter neu konstruierten Mikroskopen.

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In diesem Reagenzglas befinden sich in ungef채hr 6 ml Wasser etwa 6,5 Milliarden Bakterienzellen, also genau so viele Bakterienindividuen wie es Menschen auf der Erde gibt.


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Eine Milliarde Bakterienzellen in 1 ml (1 Kubikzentimeter) kann man mit bloßem Auge praktisch nicht sehen. Mit Hilfe der Elektronenmikroskopie können Objekte bis zu 100.000-fach vergrößert werden. Im Gegensatz zur Lichtmikroskopie (1.000-fache Vergrößerungsmöglichkeit) können mit Elektronenstrahlen, aufgrund der viel kürzeren Wellenlänge, sehr viel kleinere Objektdetails abgebildet werden.

„Könnte man einen Menschen unter einem solchen Linsensystem ganz überschauen, er würde so groß erscheinen wie der Mont Blanc oder gar Chimborasso. Aber selbst unter diesen kolossalen Vergrößerungen sehen die kleinsten Bakterien nicht viel größer aus als die Punkte und 14

Kommas eines guten Drucks; von ihren inneren Teilen ist wenig oder gar nichts zu unterscheiden, und selbst die Existenz würde von den meisten verborgen bleiben, wenn sie nicht in unendlichen Mengen gesellig lebten.“ (Ferdinand Cohn, 1872)


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Nach ihrem Aussehen unterscheidet man runde Formen (Kokken), Stäbchen (Bazillen) und Schrauben (Spirillen). Kokken gibt es einzeln, zu zweit (Diplokokken) oder in Gruppen. Unter den doppelt Kugelförmigen befindet sich z.B. der Erreger der Lungenentzündung (Diplococcus pneumoniae). Andere bilden Ketten, wie die Streptokokken, die schwere Erkrankungen hervorrufen können, z.B. das rheumatische Fieber, das noch vor einigen Jahren oft tödlich endete. Während die runden Formen ein stationäres Dasein fristen, können viele stäbchenförmige Bakterien ihren Standort mit Hilfe von Geisseln ändern.

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Sehr früh besiedelten sie unseren Planeten und

Vor 2,5 Milliarden

ebneten den Weg für andere, höhere Lebewesen.

Jahren veränderten

Dank der Tätigkeit phototroper Cyanobakterien bildete

die sich massenhaft im

sich eine schützende Ozonschicht, welche die gefährlichen

Wasser verbreitenden

UV- Strahlen der Sonne aufgefangen hat, sodass sich

Cyanobakterien die

Leben in seiner Vielfalt entfalten konnte. Im Gegensatz

Lebensbedingungen auf

zu vielen anderen Arten, die im Laufe der Zeit ausstarben,

der Erde entscheidend.

überstanden Bakterien alle noch so schlimmen Kata-

Die Bakterien nutzten

strophen. Weder Feuer noch Dürreperioden, Erdbeben,

das Sonnenlicht zur

Vulkanausbrüche oder Frostperioden konnten ihnen

Photosynthese und

etwas anhaben. Das verdanken sie ihrer ungeheuren

setzten als Abfallprodukt

Anpassungsfähigkeit. Bakterien findet man im trockenen

Sauerstoff frei. Diese

Sand, in den Tiefen der Ozeane, in Gletscherspalten,

massenhafte Produktion

in heißen Quellen, in der Luft, im Boden, auf und in

von Sauerstoff bewirkte

Lebewesen. Buchstäblich ist nichts vor ihnen sicher.

die chemische Umwand-

Diese bewundernswerte Vitalität hängt einerseits mit

lung der sauerstofflosen

der Fähigkeit zusammen, schlechte Perioden zu „über-

Gashülle in die für die

schlafen“, anderseits in Bezug auf das Nahrungsangebot

Fortentwicklung von

nicht wählerisch zu sein. Unter den Stäbchen-Bakterien

Leben außerhalb des

gibt es eine Gruppe, die Dauerformen, so genannte

Wassers notwendige

Sporen, bilden. Dank ihrer Sporen können Bakterien

Atmosphäre.

auch längere Zeiten, hundert Jahre und mehr, ohne jeglichen Schaden überstehen, um dann zu neuem Leben zu erwachen. Weder Druck noch hohe Temperaturen, geschweige denn gängige Desinfektionsmittel könnten sie abtöten. Außer den unzähligen Krankheitserregern, denen wir 18

durch prophylaktische Maßnahmen sowie die Stärkung des Immunsystems dennoch die Stirn bieten können,

Man vermutet,

gibt es mindestens so viele Bakterien ohne die unsere

dass Bakterien-

Existenz kaum vorstellbar wäre. Zu ihnen gehört die

Endosporen mehrere

überwiegende Zahl der Boden- und Gewässerbakterien.

hundert, vielleicht sogar

Sie besorgen den biologischen Abbau der abgestorbenen

tausend Jahre lebend

tierischen und pflanzlichen Überreste durch Fäulnis

überdauern und sogar

und Gärung zu anorganischen Substanzen, also die

der harten Strahlung

Mineralisation organischer Stoffe. Dank dieser

im All trotzen könnten

Kleinlebewesen werden in der Natur die Kohlenstoff-,

und somit schon lange

Stickstoff-, Schwefel- und Phosphorkreisläufe in Funktion

vor der Menschheit die

gehalten. Am Beispiel des Stickstoffkreislaufs lassen sich

Raumfahrt gemeistert

diese vielschichtigen, komplizierten Abläufe erläutern:

haben könnten.


Obschon die atmosphärische Luft sehr reich an molekularem Stickstoff ist, kann weder Mensch noch Tier ihn verwerten. Dabei ist dieses Element ein wichtiger Bestandteil der lebensnotwendigen Eiweiße. Nur ganz bestimmte Knöllchenbakterien (Rhizobium leguminosarum) sowie einige freilebende Formen besitzen die Fähigkeit, Stickstoff aus der Luft zu binden. Der gelangt dann teils in den Boden, teils in die höhere Pflanze, zum Beispiel eine Erbse, Bohne oder Luzerne, an deren Wurzeln die Bakterien leben. Anschließend führt der Weg in den Verdauungstrakt von Tieren oder Menschen. Nach den Verdauungsprozessen gelangt der Stickstoff in Form von Harn wieder in die Umwelt. Dort wartet bereits ein Heer von Bakterien, welche die stickstoffhaltigen Substanzen zerlegen bis wieder reines Stickstoffgas entsteht, das letztendlich zu seinem Ausgangsort, nämlich in die Atmosphäre, zurückkehrt. Weiter sind als nützlich Darmbakterien zu betrachten, die den Stoffwechsel fördern und somit für eine gesunde Verdauung sorgen. Solche und ähnliche Eigenschaften der Bakterien führten im Laufe der Jahre zu ihrem gezielten Einsatz durch den Menschen. Kläranlagen und Kompost enthalten Bakterien, die Abfallstoffe mineralisieren. Mit Hilfe von Bakterien werden auch Arzneimittel (Antibiotika und Hormone) hergestellt. Schmackhafte Nahrungsmittel wie Joghurt, Sauerkraut, Käse und sogar Essig verdanken wir ihnen genauso wie wertvolle Chemikalien, z. B. Buttersäure, Milchsäure, Butylalkohol (wichtiges technisches Lösungsmittel und Aromastoff) – um nur einige zu nennen. Zieht man zum Schluss eine Bilanz zwischen den krankheitserregenden (pathogenen) und den nützlichen (saprophytischen) Bakterien, fällt diese mit Sicherheit zu Gunsten der zweiten Gruppe aus. Denn die Mehrzahl aller Bakterien sind lebensnotwendige, gesundheitsfördernde Freunde – sie halten die feindlichen Bakterien, andere schädliche Mikroben, Parasiten und somit auch teilweise Viren in Schach. Sie wenden sehr raffinierte und vielfältige Methoden an um ihre Umgebung zu manipulieren um zum Beispiel mit höheren Organismen zu kommunizieren.

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Luca – Last Universal Common Ancestor

Evolutionstechnisch geht man heute gerne davon aus, dass alles Lebendige auf einen Urahnen zurückgeführt werden kann. Diesen nennt man LUCA (engl. Last Universal Common Ancestor für letzter universeller gemeinsamer Vorfahre); manchmal auch LUA oder LCA. Dieser letzte Urvorfahre soll demnach diejenigen Merkmale besessen haben, die alle Lebewesen auch heute noch besitzen, nämlich eine Zellstruktur, einen Träger für Erbinformationen (DNA), den modernen genetischen Code, mRNA und tRNA sowie Ribosome für die Proteinbiosynthese. Er soll vor mindestens 3,5 Milliarden Jahren gelebt haben. Dass LUCA als letzter universeller gemeinsamer Vorfahre angesehen wird, sollte uns nicht zu dem verfehlten Gedanken verführen, dass er das erste Lebewesen überhaupt war. Er muss auch nicht die einfachststrukturierte Lebensform gewesen sein, weil er durchaus Anpassungen an seine Lebensumstände gehabt haben könnte, die kompliziert waren und die wir heute einfach nur nicht kennen (können). LUCA muss auch nicht eine bestimmte Urart oder gar ein bestimmtes Individuum gewesen sein. Und schließlich muss LUCA schon gar nicht allein auf dem Planeten gewesen sein. Es wäre vielmehr so, dass alle seine potentiellen Mitfahren heute ausgestorben sind. LUCAs Erbgut ist das einzige, dass sich durchsetzen, sich 20

behaupten und bis zum heutigen Tag überleben konnte.


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Luca – Das Lebewesen, das Mutter aller Lebewesen auf der Erde war.


phylogenetischer Stammbaum 3 Domänen 19 „Sub-Domänen“

Grampositive Bakterien Chlamydien Planktomyzeten

Cyanobakterien Purpurbakterien (inkl. Proteobakterien)

Bacteroides (inkl. Flavobakterien)

Grüne Schwefelbakterien

Spirochäten

Deinokokken

Grüne Bakterien

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Thermogata

Ein phylogenetischer Baum, ist ein Baum, der die evolutionären Beziehungen zwischen verschiedenen Arten oder anderen Einheiten, von denen man vermutet, dass sie einen gemeinsamen Vorfahren besitzen, darstellt. In einem phylogenetischem Baum repräsentiert jeder Knoten mit Vorfahren den nächsten gemeinsamen Verwandten dieser Vorfahren. Die Kantenlänge entspricht meist der geschätzten Zeit, in der sich die Arten separiert haben, oder der Anzahl der Mutationen, die während dieser Entwicklung passierten.

BAKTERIEN

LU


Amoebozoa

Opisthokonta

Amöben

Pilze

Schleimpilze

Geißeltiere

Tiere inkl. Mensch Rhizaria Foraminiferen Strahlentierchen

Crenarchäonten

Euryarchäonten

Archaeplastida

Methan-Archäen

Glaucophyta

Salz-Archäen

Rotalgen

Sulfat-Archäen

Pflanzen

Themoproteen Chromalveolata Geißelalgen Kalkalgen Dinoflagellaten Wimperntierchen Sporentierchen Excavata Trichomonaden

Augentierchen (Euglena)

Trypanosomen

CA

ARCHÄEN

EUKARYOTEN

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Mithilfe von DNA und RNA-Analysen ist es mittlerweile gelungen, die Grade der Verwandtschaftsbeziehungen der Lebewesen untereinander in einem hohem Maße zu objektivieren. Das Ergebnis dieser Analysen zeigte, dass es im wesentlichen drei unterschiedliche Organismengruppen gibt. Die erdrückende Mehrheit an Vielfalt von Organismen liegt im Bereich der Bakterien. Pilze, Pflanzen und Tiere sind vergleichsweise äußerst nahe miteinander verwandt. Der Mensch ist nur eine Gruppe unter vielen. Zuerst entstanden Einzeller ohne Zellkern: die sogenannten Prokaryoten. Früher war man der Meinung, die Prokaryoten wären eine relativ gleichartige Gruppe von Lebewesen – man sprach auch einfach von Bakterien. Später, auch mit Hilfe der Genanalyse, stellte 24

man dann aber fest, dass man diese Einzeller in zwei unterschiedliche Domänen (Reiche) aufteilen sollte: In (eigentliche) Bakterien und in die sogenannten Archäen. Später entwickelten sich dann die Zellen mit Zellkern: die sogenannten Eukaryoten, die neben den Bakterien und den Archäen die dritte Domäne der Lebewesen bilden. Zu den Eukaryoten gehören später alle Pilze, Pflanzen und Tiere, darunter auch der Mensch.


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Bakterische Zellen haben viel Gemeinsames mit den tierischen und pflanzlichen Zellen. Natürlich kann man einen Einzeller wie z.B. unser Darmbakterium Escherichia coli nicht mit einem Elefanten vergleichen. Der Vergleich muss auf gleicher Augenhöhe erfolgen, also Bakterienzelle mit Elefantenzelle:

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Bakterien sind Prokaryoten – das bedeutet, ihre DNA liegt frei im Cytoplasma, zusammengedrängt in einem engen Raum, dem Nucleoid.


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Bei Eukaryoten ist die DNA in einem vom Cytoplasma durch eine Doppelmembran abgegrenzten Zellkern enthalten.


1. Beide Zellen enthalten die Erbsubstanz DNA (Desoxyribonukleinsäure), wobei es aber einen qualitativen Unterschied gibt: in tierischen und pflanzlichen Zellen ist die Erbsubstanz im Kern lokalisiert; sie befindet sich in einem Kompartiment, welches von einer Membran umgeben ist. Pflanzen und Tiere werden daher zusammen als eukaryotische Organismen bezeichnet. Bakterien sind hingegen prokaryotisch. Ihre Erbsubstanz schwimmt mehr oder weniger im Cytoplasma – eine dickflüssige Grundsubstanz innerhalb der Zellmembran, die viele Proteine, Nukleinsäuren, Vitamine, Zellbausteine wie den Aminosäuren und schließlich Salze enthält.

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2. Beide Zellen enthalten drei Sorten von RNA (Ribonukleinsäure): Die ribosomale RNA schnürt die sogenannten ribosomalen Proteine zu den Ribosomen zusammen, das sind die Proteinsynthesefabriken in den Zellen. Die zweite Sorte ist die Messenger- oder Boten-RNA; sie überbringt die Botschaft von der DNA zu den Proteinsynthesefabriken. Von der DNA instruiert, „erzählt“ sie den Proteinsynthesefabriken, was als nächstes zu tun ist, welche Proteine zu synthetisieren sind. Denn nicht alle Proteine, die auf der DNA verschlüsselt sind, werden zu jeder Zeit gebraucht. Für die dritte Aneinanderkettung der Aminosäuren zu Proteinen wird die dritte RNA-Sorte benötigt, die Transfer-RNA. Es gibt in jeder Zelle mehr als 20 verschiedene davon, diese sind jeweils spezifisch für eine der 20 verschiedenen Aminosäuren nach dem Syntheseplan der Boten-RNA auf dem Rangierbahnhof der Ribosomen zur Verknüpfung, also zur Proteinsynthese bereitstellen.

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3. In beiden Zellen ist die gesamte Maschienerie von der Cytoplasmamembran umgeben. Sie ist elektrisch geladen, innen negativ, außen positiv. Sie enthält Kontrollstellen für den Stofftransport nach innen und nach außen. Zellen, insbesondere Bakterienzellen, sind eben keine Teebeutel, wo alles Mögliche durchkann. Der Transport über die Cytoplasmamembran steht unter strengster Kontrolle. Es besteht hohe Spezifität, z.B. kommen Kaliumionen durch, aber nicht Natriumionen. Könnten wir das Cytoplasma eines im Ozean schwimmenden Bakteriums probieren, so schmeckte es daher nicht salzig. Damit die Cytoplasmamembran ihre Aufgaben erfüllen kann, muss sie geladen sein. Sie gewährleistet dann, dass sich das Zellinnere, das Cytoplasma, in der Zusammensetzung seiner Bestandteile dramatisch vom Außenmedium unterscheiden kann. So entsteht der günstige Reaktionsraum für alle Lebensprozesse. Die Cytoplasmamembran mit ihren Funktionen ist eines der größten Wunder der Evolution.

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Vermehrung Die Vermehrung der Bakterien erfolgt asexuell durch Zellteilung. Das kann durch Querteilung, durch Sporenbildung oder auf andere Weise geschehen. Alle Nachkommen weisen ein identisches Genom auf und bilden daher einen Klon. Die Zelle wächst zur doppelten Größe an, die Chromosomen heften sich nach der Replikation an die Zellmembran, und über eine Einschnürung dieser Membran folgt eine Teilung;


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zwei Tochterzellen entstehen. Diese sind meist identisch in Größe und Gestalt. Bei manchen Arten erfolgt die Zellteilung jedoch durch Knospung, sodass eine kleine Tochterzelle, die Knospe, entsteht und eine größere, die den Hauptteil der ursprünglichen Zelle behält. Die Zellen können nach der Teilung zu einfachen Zellverbänden vereint bleiben, wobei jede Zelle ein selbständiges Individuum darstellt.


Unsterblichkeit Lange Zeit herrschte die Auffassung, dass Bakterien Unsterblichkeit genießen, weil sie sich ständig auf symmetrische Weise in identischen „Tochterzellen“ teilen. Diese Tochterzellen, die Stück für Stück aus gleichaltrigen Komponenten aufgebaut sind, teilen sich daraufhin ebenfalls. Dieser Prozess wird bis ins Unendliche fortgesetzt. Dies unterscheidet die Bakterien von mehrzelligen Organismen, die Zellen enthalten, welche altern und nach einiger Zeit absterben. Die Wissenschaftler sind zur Schlussfolgerung gekommen, dass die Frage, ob Bakterien altern oder unsterblich sind, vollkommen davon abhängt, wie wohlgenährt die Bakterien sind. Leben die Bakterien unter guten Umständen mit vielen Nahrungsmitteln, dann wird asymmetrische Teilung bevorzugt. Dabei sterben ältere Zellen zwar ab, aber die jungen Zellen entwickeln sich schneller. Sind Nahrungsmittel jedoch knapp, dann führt eine symmetrische Teilung eine proportionale Verteilung der Überlebens- und Wachstumsmöglichkeiten beider Tochterzellen herbei. Allerdings zogen vor 5 Jahren Wissenschaftler der René Descartes-Universität in Paris die Unsterblichkeit 34

von Bakterien in Zweifel, als sie entdeckten, dass sich Bakterien des Stammes Escherichia coli auf asymmetrische Weise teilen. Während dieses Prozesses enthält die eine Tochterzelle nämlich ältere Komponente als die andere. In langer Generationsfolge wachsen die älteren Zellen immer langsamer und sterben nach bestimmter Zeit ab. Für die Forscher Grund anzunehmen, dass Altern für alle Lebensformen unvermeidbar ist.


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Bonnie Bassler


Die Kommunikation der Bakterien

„Unter Kommunikation verstehen wir das gegenseitige Auslösen von koordinierten Verhaltensweisen unter den Mitgliedern einer sozialen Einheit.“ (Humberto R. Maturana, Francisco J. Varela: Der Baum der Erkenntnis – Die biologischen Wurzeln menschlichen Erkennens – Frankfurt am Main: Fischer Taschenbuch Verlag, 2010)

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»Bakterien sind die ältesten Organismen, die auf der Erde leben. Sie sind schon seit Milliarden von Jahren hier und sind einzellige, mikroskopisch kleine Organismen. Sie bestehen nur aus einer Zelle und haben die spezielle Eigenschaft, dass sie nur einen DNA Strang beinhalten. Bakterien haben also nur sehr wenige Gene und genetische Informationen um sämtliche Merkmale, die sie ausführen, zu encodieren. Die Art und Weise wie ein Bakterium überlebt ist, dass es sich von den Nährstoffen in der Umgebung ernährt. Sie wachsen auf die doppelte Größe an, teilen sich in der Mitte und aus einer Zelle werden zwei. Und so weiter und so fort. Also wachsen und teilen, wachsen und teilen. Eigentlich ein ziemlich langweiliges Leben. Erstaunlich ist jedoch, welche Wechselbeziehung die Menschen mit diesen Kreaturen haben. Ich weiß, dass Sie sich als Menschen betrachten. Der Meinung bin ich auch fast. Dieser Mann hier ist dazu bestimmt, den allgemeinen Menschen zu repräsentieren. Und alle Kreise in diesem Mann sind alle Zellen, die Ihren Körper erschaffen. Es sind ungefähr 1 Billionen Zellen, die einen jeden von uns ausmachen, und uns ermöglichen, all die Dinge zu bewerkstelligen, die wir machen. Sie haben jedoch 10 Billionen Bakterien in oder auf Ihnen, zu jedem Zeitpunkt ihres Lebens. Also 10 mal so viele 38

Bakterien wie menschliche Zellen in einem Menschen.


A T G C G G C C G G C T C G T G C G C A G C T C G G C A C C T C G A C C T C A C T C G C A C T C G C T C G

G T G C T C A C C A C C C T T T C T A C T G C G C T C C G C A C C T T G C A C G C A C C C C A T A C T G C

Die in allen Zellen enthaltene Desoxyribonukleins채ure (DNA) ist der Tr채ger der 40

vollst채ndigen genetischen Information eines Individuums. Diese besteht aus Nukleotiden, welche wiederum aus einer der vier Basen Adenin, Cytosin, Guanin oder Thymin, sowie einem Zuckermolek체l und einer Phosphatgruppe zusammengesetzt sind. Durch die spezifische Abfolge der vier verschiedenen Nukleotide, die sogenannte Basensequenz, ist die genetische Information codiert.


Es ist jedoch die DNA die zählt. Hier sind also alle A, T, Gs und Cs, die Ihren genetischen Code bilden und Ihnen all die charmanten Charakterzüge verleihen. Sie haben ungefähr 30.000 Gene. Wie sich herausstellt, haben Sie etwa 100 mal mehr bakterielle Gene, die eine Rolle in Ihrem Leben auf oder in Ihnen spielen. Bestenfalls sind sie 10% Mensch, wahrscheinlich eher 1%, abhängig welche dieser Zahlen sie bevorzugen. Ich weiß, sie glauben sie sind Menschen, aber ich betrachte sie vielmehr zu 90 bis 99 Prozent aus Bakterien bestehend. Diese Bakterien sind keine blinden Passagiere. Nein, sie sind vielmehr erstaunlich wichtig. Sie erhalten uns am Leben. Sie bedecken uns mit einer unsichtbaren Körperschutzhülle, die Angriffe aus der Umwelt fernhält, so dass wir gesund bleiben. Sie verdauen unsere Nahrung. Sie produzieren unsere Vitamine. Sie bilden sogar unser Immunsystem aus, gefährliche Mikroben abzuwehren. Die Bakterien vollbringen also alle diese erstaunlichen Dinge, die uns helfen, uns sogar erst ermöglichen, ein gesundes Leben zu führen. Dafür wird ihnen niemals Beachtung geschenkt. Jedoch bekommen sie viel schlechte Presse, für all die grauenvollen Sachen, die sie auch anrichten. Es gibt so viele verschiede Bakterien auf der Erde, die zu keinem Zeitpunkt weder in noch auf Ihnen etwas zu suchen haben. Und falls sie es sind, machen sie Sie unglaublich krank. Und so stellt sich die Frage in meinem Labor, ob man über all die guten Taten, die Bakterien vollbringen, nachdenken möchte, oder über all die schlechten. Wir fragten uns: Wie können sie überhaupt etwas erreichen? Ich meine, sie sind so unglaublich klein, dass Sie ein Mikroskop brauchen, um welche zu sehen. Sie führen dieses langweilige Leben, währenddessen sie wachsen und sich teilen. Und sie wurden immer für zurückgezogene, unsoziale Organismen gehalten. Es schien uns also, dass sie einfach zu klein sind, um eine Auswirkung auf die Umwelt zu haben, wenn sie nur als Individuen agieren. So dachten wir uns, ob es nicht eine andere Art und Weise gäbe, wie ein Bakterium lebt.

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Einen Anhaltspunkt fanden wir aufgrund eines marinen Bakteriums, und dieses Bakterium heißt „Vibrio fischeri“. Auf dieser Folie sehen Sie ein Mitglied aus meinem Labor, welches einen Glasbehälter mit einer flüssigen Bakterienkultur in der Hand hält. Ein ungefährliches, wunderschönes Bakterium, das aus dem Ozean stammt, mit dem Namen „Vibrio fischeri“. Dieses Bakterium hat die spezielle Eigenschaft, dass es Licht erzeugt, es erzeugt also Bio-Lumineszenz, wie z.B. ein Glühwürmchen. Wir machen nichts mit diesen Zellen hier. Wir haben einfach ein Foto gemacht, während es im Raum dunkel 42

war, und das hier konnten wir beobachten. Aber was eigentlich interessant für uns war, ist nicht, dass das Bakterium Licht erzeugt hat, sondern wann es zu leuchten begann. Uns ist aufgefallen, dass, wenn die Bakterien alleine waren, also in verdünnter Suspension, sie kein Licht erzeugten. Aber als sie zu einer gewissen Zellanzahl herangewachsen waren, begannen sie alle gleichzeitig zu leuchten. Die Frage war für uns also: Wie können Bakterien, diese primitiven Organismen, unterscheiden ob sie entweder allein sind oder sich in einer Gemeinschaft befinden, um dann alle zusammen etwas zu bewirken. Wir haben herausgefunden, dass sie untereinander kommunizieren. Und sie bewerkstelligen das mit Hilfe einer chemischen Sprache.


Vibrio fischeri ist biolumineszent und lebt h채ufig in Symbiose mit anderen Lebewesen, z.B. im Bobtail Tintenfisch

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Das hier stellt eine bakterielle Zelle dar. Wenn sie alleine ist erzeugt sie kein Licht. Aber sie stellt kleine Moleküle her und scheidet diese aus. Sie können sich die als eine Art Hormon vorstellen. Das sind diese roten Dreiecke. Wenn das Bakterium alleine ist, schwimmen die Moleküle einfach weg. Folglich kein Licht. Aber wenn die Bakterien wachsen und sich verdoppeln und sich alle daran beteiligen, diese Moleküle herzustellen, dann steigt die Zahl dieser Moleküle außerhalb der Zelle proportional zu der Zellanzahl. Wenn die Moleküle dann eine gewisse Anzahl übersteigen, die das Bakterium informiert wie viele Nachbarn es gibt, werden sie vom Bakterium wahrgenommen und alle fangen synchron an, zu leuchten. So funktioniert Bio-Lumineszenz – sie sprechen mit Hilfe dieser chemischen Wörter.

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Fotos: http://www.marengel.ch/Projekte/Vibrio-fischeri


Der Grund, weswegen Vibrio fischeri das macht entstammt der Biologie. Ein bisschen mehr Werbung für die Tiere der Meere: Vibrio fischeri lebt in diesem Tintenfisch. Sie sehen den Bobtail Tintenfisch aus Hawaii. Er liegt auf dem Rücken. Ich hoffe, sie könne diese zwei leuchtenden Lappen sehen. Vibrio fischeri lebt dort in hoch konzentrierter Zellanzahl. Das Molekül ist vorhanden und sie machen Licht. Der Grund, weswegen sich der Tintenfisch auf diese Spielerei eingelassen hat, ist, dass er das Licht will. Die Symbiose funktioniert folgendermaßen. Jener Tintenfisch lebt etwas von der Küste Hawaiis entfernt. Also im seichten, Knie tiefen Wasser. Der Tintenfisch ist nachtaktiv, also ver-gräbt er sich tagsüber in den sandigen Boden und schläft. Aber in der Nacht muss er hervorkommen, um zu jagen. In hellen Nächten, wenn es viel Sternenoder Mondlicht gibt, kann das Licht bis in den Lebensraum des Tintenfisches vordringen, weil es nicht allzu tief ist. Dieser Tintenfisch hat eine Blende entwickelt, die er über diesem speziellen Lichtorgan, in dem sich die Bakterien befinden, öffnen und schließen kann. Außerdem hat er Sensoren auf seinem Rücken, mit denen er das einfallende Licht der Sterne und des 48

Mondes erfassen kann. Nun reguliert der Tintenfisch die Blende so, dass das Licht, was unten herauskommt, welches von den Bakterien erzeugt wird, genau an das einfallende Licht angepasst wird und er keinen Schatten wirft. Er nutzt also das Licht der Bakterien, um sich selbst zu beleuchten als Verteidigungsmaßnahme, denn so können seine Feinde keinen Schatten mehr sehen, um seine Bewegungsabläufe zu bestimmen und ihn dann zu essen. Das ist quasi der Tarnkappenbomber der Meere.


Aber wenn Sie jetzt darüber nachdenken hat dieser Tintenfisch dieses schreckliche Problem. Er hat diese absterbende, fette Kultur von Bakterien, die er nicht aufrechterhalten kann. Es geschehen also folgende Dinge: Jeden Morgen wenn die Sonne aufgeht, legt sich der Tintenfisch wieder unter dem Sand schlafen. An seinem Biorhythmus ist eine Pumpe angeschlossen, die jeden Morgen ca. 95% der Bakterien nach draußen schleudert. Jetzt sind die Bakterien verdünnt, das winzige Hormonmolekül ist weg und sie erzeugen folglich auch kein Licht. Das kümmert den Tintefisch natürlich nicht, denn er ist ja am schlafen. Im weiteren Tagesverlauf verdoppeln sich die Bakterien wieder, lassen das Molekül frei und das Licht geht gegen Abend an, genau dann, wenn der Tintenfisch es braucht.

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Zuerst haben wir herausgefunden, wie Bakterien das anstellen, aber danach brachten wir die Werkzeuge der Molekularbiologie ein, um den genauen Vorgang zu identifizieren. Wir entdeckten, – also, das ist wieder meine bakterielle Zelle – dass Vibrio fischeri ein Protein hat – dieser rote Kasten – welches ein Enzym ist, das die kleinen Hormon-Moleküle – die roten Dreiecke – produziert. Wenn die Zellen dann wachsen, geben sie alle dieses Molekül an die Umwelt ab und so sind diese dann reichhaltig vorhanden. Des Weiteren hat das Bakterium einen Rezeptor auf der Zellhülle, der genau zu dem Molekül passt – nach einem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Genauso wie die Rezeptoren auf der Oberfläche ihrer Zellen. Wenn die Moleküle zu einer gewissen Zahl heranwachsen, was etwas über die Anzahl der Bakterien aussagt, dann geht es die Verbindung mit diesem Rezeptor ein. Die Information gelangt dann in die Zelle, die dann der Zelle „sagt“, dass es das kollektive Verhalten, zu leuchten, einschalten soll.

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Das ist interessant, weil wir im letzten Jahrzehnt herausfanden, dass dies nicht nur irgendeine Anomalie dieses lächerlichen „Leuchten bei Nacht“-Meeresbakteriums ist. Alle Bakterien haben solche Systeme. Nun wissen wir, dass alle Bakterien miteinander sprechen können. Sie produzieren chemische Wörter, erkennen diese, und schalten dann das Gruppenverhalten ein, welches nur erfolgreich ist, wenn sich alle gleichzeitig daran beteiligen. Wir haben dafür einen schicken Namen: „Quorum Sensing“. Die Bakterien stimmen mit Hilfe dieser chemischen Wörter ab. Dann wird ausgezählt, woraufhin jeder auf das Ergebnis reagiert. Aber was für den Vortrag heute wichtig ist, ist, dass es hunderte von Verhalten gibt, die Bakterien in dieser kollektiven Manier ausführen. Aber die Sache, die für sie wahrscheinlich am wichtigsten ist, ist Virulenz. Es ist nicht so, dass ein paar Bakterien in Sie gelangen und dann beginnen Gifte freizusetzen. Sie sind zu groß, das würde keinen Effekt hervorrufen. Wir wissen jetzt, dass die Bakterien in Sie gelangen, dort warten und heranwachsen, sich selbst mit diesen kleinen Molekülen zählen, erkennen, wann sie die erforderliche Zellanzahl erreicht haben, und dann, wenn sie ihre Attacke zusammen starten, sind sie erfolgreich, einen riesigen Wirt zu übermannen. Bakterien steuern das Auslösen von Krankheiten immer mit Quorum Sensing. 52

So funktioniert es.


Außerdem haben wir die Moleküle genauer unter die Lupe genommen – das waren die roten Dreiecke auf meinen Folien zuvor. Das ist das Vibrio fischeri Molekül. Das ist das Wort, mit dem es spricht. Wir begannen, uns weitere Bakterien anzusehen und das ist nur ein Bruchteil der Moleküle, die wir fanden. Ich hoffe, Sie können erkennen, dass die Moleküle verwandt sind. Der linke Teil des Moleküls ist identisch in jeder einzelnen Bakterienspezies. Aber der rechte Teil des Moleküls ist in jeder Spezies ein klein wenig anders. Das gewährleistet eine speziesspezifische Exklusivität dieser Sprachen. Jedes Molekül passt in seinen Partnerrezeptor und keinen anderen. Es sind also private, geheime Unterhaltungen. Es ist eine speziesinterne Kommunikation. Jedes Bakterium benutzt die eigene Molekülsprache, um die eigenen Geschwister zählen zu können.

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Serratia liquefaciens, Vibrio harveyi, Vibrio fischeri, Agrobacterium tumefaciens; der linke Teil des Möleküls ist bei allen vier identisch.


Als wir so weit gekommen waren, dachten wir, dass wir begannen, zu verstehen, dass Bakterien soziale Verhalten besitzen. Aber woran wir wirklich fast den ganzen Tag lang dachten war, dass Bakterien nicht alleine, sondern vielmehr in unglaublichen Mixturen, die aus vielen hunderten bis tausenden verschieden Bakterien bestehen können, leben. Das ist auf der Folie beschrieben. Das ist Ihre Haut. Das ist nur ein Foto – eine Mikroskopaufnahme Ihrer Haut. Überall auf Ihren Körpern sieht es nahezu genauso aus wie auf dem Foto. Ich hoffe sie können sehen, dass es hier von Bakterien aller Art nur so wimmelt. Und so begannen wir, uns zu überlegen, ob es wirklich um Kommunikation zwischen Bakterien geht und darum ihre Nachbarn zu zählen, denn es ist nicht ausreichend, sich nur in der eigenen Spezies unterhalten zu können. Es musste einen Weg geben, eine Befragung der restlichen Bakterien in der Population durchzuführen. Wir gingen also wieder zurück zur Molekularbiologie und fingen an, verschiedene Bakterien zu untersuchen. Wir fanden heraus, dass Bakterien tatsächlich mehrsprachig sind. Sie haben alle ein speziesspezifisches System – sie haben dafür ein Molekül das „ich“ sagt. Aber dann fahren sie zweigleisig dazu noch ein zweites System, welches wir entdeckt haben, das allgemein ist. Sie besitzen ein zweites Enzym, welches ein zweites Signal herstellt. Das hat auch seinen eigenen Rezeptor 54

und dieses Molekül ist die Handelssprache der Bakterien. Es wird von allen unterschiedlichen Bakterien verwendet und stellt die interspezielle Kommunikation dar. Nun sind Bakterien in der Lage zu zählen, wie viele es von „mir“ und von „euch“ gibt. Diese Information verinnerlichen sie und entscheiden dann, welche Aufgabe sie ausführen abhängig davon, wer in der Minderheit bzw. in der Mehrheit der vorhanden Population ist.


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Dann haben wir uns wieder an die Chemie gewandt und herausgefunden, was dieses generische Molekül ist – es war das rosa Oval auf meiner Folie. Es ist ein sehr kleines, fünfarmiges Kohlenstoffmolekül. Das Wichtige daran, was wir gelernt haben, ist, dass jedes Bakterium das identische Enzym hat und das identische Molekül bildet. Sie verwenden also alle dieses Molekül für die Kommunikation zwischen den Spezies. Das ist quasi das bakterielle Esperanto. Als wir so weit waren, begannen wir zu verstehen, dass Bakterien miteinander reden können, mithilfe dieser chemischen Sprache. Aber wir dachten auch daran, dass es vielleicht etwas brauchbareres gibt, das wir nutzen können. Ich habe Ihnen von dem sozialen Verhalten der Bakterien erzählt, dass sie mit Hilfe der Moleküle kommunizieren. Natürlich habe ich Ihnen auch mitgeteilt, dass eine der wichtigen Dinge, die sie machen das Auslösen von Krankheiten mit Hilfe von Quorum Sensing ist. Wir dachten: Was passiert wenn wir die Bakterien beeinflussen, so dass sie nicht sprechen oder hören können? Könnte das nicht eine neue Sorte Antibiotika sein? Sie haben es sicherlich bereits vernommen und wissen auch, dass Antibiotika zur Neige gehen. Bakterien sind unglaublich arzneimittelresistent geworden, was darauf zurückzuführen ist, dass wir mit Antibiotika Bakterien 56

töten. Sie lassen die Zellmembrane aufplatzen, sie bewirken, dass Bakterien keine DNA mehr replizieren können. Wir töten Bakterien mit traditionellen Antibiotika und das selektiert für resistente Mutanten. Jetzt haben wir natürlich ein globales Problem auf dem Gebiet der Infektionskrankheiten. Wir dachten: Wie wäre es, wenn wir ein paar Verhaltenmodifikationen vornehmen, so dass diese Bakterien nicht reden könnten, sich nicht zählen könnten und schließlich auch nicht wüssten, wann sie angreifen sollen.


Und das ist genau das, was wir taten. Wir verfolgten zwei Strategien. Die erste zielt auf das speziesinterne Kommunikationssystem ab. Wir erstellten Moleküle, die fast wie die Echten aussahen – die Sie schon sahen – aber diese unterscheiden sich etwas. Deshalb verschließen sie die Rezeptoren und stören das Erkennen der echten Moleküle. Wenn wir auf das rote System abzielen, sind wir in der Lage, speziesspezifische oder krankheitsspezifische Anti-Quorum-Sensing-Moleküle herzustellen. Wir haben das gleiche ebenfalls auf das rosa System angewandt. Wir nahmen das Universalmolekül und veränderten es etwas, so dass wir Gegenspieler des interspeziellen Kommunikationssystems herstellten. Wir hoffen, dass diese als allgemeine Antibiotika benutzt werden, die gegen alle Bakterien wirken. Zum Ende werde ich Ihnen die Strategie vorstellen. Hier verwende ich nur das speziesinterne Molekül aber der Denkansatz ist exakt der gleiche. Sie wissen bereits, dass wenn ein Bakterium in ein Tier gelangt, in diesem Fall eine Maus, es nicht sofort die Krankheit auslöst. Es dringt ein, beginnt zu wachsen und dann die QuorumSensing-Moleküle auszuscheiden. Die Bakterien erkennen wann sie die ausreichende Anzahl erreicht haben und erst jetzt starten sie ihren Angriff, und das Tier stirbt. Wir waren in der Lage diese Krankheitserreger zu spritzen, aber wir spritzten sie zusammen mit den Anti-Quorum-Sensing-Molekülen also die Moleküle, die aussehen wie die Echten. Aber sie unterscheiden sich etwas, was ich auf dieser Folie dargestellt habe. Wir wissen nun, dass wenn wir einem Tier krankheitsauslösende Bakterien – mehrfach resistente, krankheitsauslösende Bakterien – spritzen und zur selben Zeit das Anti-Quorum-Sensing-Molekül injizieren das Tier tatsächlich am Leben bleibt.

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58


Bakterien gelangen in ein Tier, in diesem Fall eine Maus: sie beginnen zu wachsen und die Quorum-Sensing-Moleküle auszuscheiden. Die Bakterien erkennen, wann sie die ausreichende Anzahl erreicht haben und starten ihren Angriff – das Tier stirbt.

59

Injiziert man dem Tier krankheitsauslösende Bakterien und zur selben Zeit das Anti-Quorum-Sensing-Molekül blebt das Tier am Leben.


Wir glauben, dass dies die nächste Antibiotikageneration ist und wir werden damit, zumindest anfänglich, dieses große Problem der Resistenz lösen. Ich hoffe Sie wissen jetzt, dass Bakterien miteinander sprechen können. Sie nutzten Chemikalien als deren Worte, haben ein unwahrscheinlich komplexes chemisches Lexikon und wir beginnen gerade erst, es zu verstehen. Das erlaubt Bakterien natürlich, multizellulär zu sein. Mit dem Grundgedanken von TED bewerkstelligen sie Dinge zusammen, weil sie so etwas Signifikantes bewirken können. Fakt ist, dass Bakterien ein kollektives Verhalten haben und dass sie Aufgaben erfüllen, die sie alleine nie verwirklichen könnten, wenn sie nur als Individuen agieren würden. Ich hoffe an Sie heranbringen zu können, dass dies die Erfindung der Mehrzeller ist. Bakterien sind seit Milliarden von Jahren auf der Erde. Menschen seit ein paar hunderttausend. Wir denken Bakterien haben die Regeln aufgestellt wie mehrzellige Organismen zu funktionieren haben. Wir glauben, wenn wir Bakterien beobachten, werden wir mehr Einsichten über komplexe Zellen im menschlichen Körper erlangen. Wir wissen, dass die Prinzipien und die Regeln, wenn wir sie in diesen primitiven Organismen entschlüsseln können, sich hoffentlich auf andere menschliche Krankheiten und Verhaltensmuster anwenden lassen. Ich hoffe, 60

dass sie gelernt haben, dass Bakterien zwischen sich selbst und anderen unterscheiden können. Mit diesen zwei Molekülen können sie „ich“ und „du“ sagen. Das ist, nochmals, was wir tun sowohl auf molekularer Ebene aber auch nach außen hin. Jedoch denke ich über die molekularen Dinge nach. Genau das passiert in Ihrem Körper. Es ist aber nicht so, dass Ihre Herzzellen und Ihre Nierenzellen jeden Tag durcheinandergebracht werden. Das liegt daran, weil es diese Chemie dazwischen gibt, die Moleküle, die sagen, welche jede dieser Zellgruppen ist, und was ihre Aufgabe sein sollte.


Wie bereits erwähnt, denken wir, dass Bakterien das erfunden haben und wir haben nur etwas mehr Schnickschnack entwickelt. Aber alle diese Ideen sind in diesen einfachsten Systemen, die wir studieren können. Letztlich ist nochmals zu betonen, dass es einen effektiven Nutzen gibt, und dass daraus die AntiQuorum-Sensing Moleküle entstanden sind, die als neue therapeutische Maßnahmen entwickelt werden. Aber um mit etwas Werbung für all die guten und wunderbaren Bakterien, die auf der Erde leben, zu enden, haben wir auch Pro-Quorum-Sensing Moleküle hergestellt. Wir haben also auf diese Systeme abgezielt, so dass die Moleküle besser arbeiten. Denken Sie daran! Sie haben 10 mal mehr bakterielle Zellen in oder auf Ihnen, die Sie gesund halten. Des Weiteren versuchen wir, die Unterhaltung etwas aufzupeppen, zwischen den Bakterien, die in Symbiose mit ihnen leben, in der Hoffnung, sie gesünder zu machen indem wir die Verständigung verbessern, so dass Bakterien Dinge, die wir wollen, gemeinsam erledigen, und damit besser, als wenn sie alleine wären. Zum Schluss möchte ich Ihnen noch meine Gang in Princeton, New Jersey, zeigen. Alles was ich Ihnen heute erzählt habe, wurde von jemandem auf diesem Bild entdeckt. Ich hoffe, dass wenn sie neue Dinge erfahren, wie beispielsweise die Natur funktioniert – Ich möchte nur ausdrücken, dass wenn sie etwas in der Zeitung lesen oder einen Vortrag über etwas absurdes aus der Naturwissenschaft hören, es von einem Kind gemacht wurde. Wissenschaft wird von jungen Menschen gemacht. All diese Leute sind zwischen 20 und 30 Jahren alt und sie sind der Motor, der die wissenschaftlichen Entdeckungen dieses Landes vorantreibt. Es ist eine tolle Altersgruppe, mit der ich zusammenarbeite. Ich werde immer älter und älter und Sie bleiben immer gleich alt aber es ist einfach ein erheiternder und zugleich verrückter Beruf. Ich möchte Ihnen für die Einlandung hierher danken. Es ist eine große Ehre für mich, zu dieser Konferenz kommen zu dürfen. Danke.«

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3

62

Eshel Ben Jacob


Der soziale IQ der Mikroben

„Wenn ein neuer Satz von Schaltkreisen im Gehirn entstehen soll, so muss er aus evolutionärer Sicht einen hohen Wert für dessen Besitzer haben, das heißt dessen Überlebenschancen erhöhen, damit er diese Schaltkreise an die kommende Generation weiterreichen kann. Als die Primaten auf den Plan traten, stellte das Leben in der Gruppe einen solchen Anpassungsschritt dar. Alle Primaten leben mit Artgenossen zusammen, die ihnen dabei behilflich sind, den Anforderungen des Lebens gerecht zu werden. Auf diese Weise vervielfachen sich die Ressourcen des einzelnen Gruppenmitglieds. Das bedeutet aber auch, dass soziale Interaktionen eine entscheidende Bedeutung erhalten. Offenbar gehört das soziale Gehirn zu jenen anpassungsfähigen Mechanismen, mit denen der einzelne der Herausforderung entgegentritt, als Teil einer Gruppe zu überleben.“ 63 (Daniel Goleman: Soziale Intelligenz – München: Knaur Verlag, 2008)


Ein internationales Forscherteam unter Leitung von

Bei Menschen

Professor Eshel Ben-Jacob von der Universität Tel Aviv

gelten Kommuni-

hat nach Genen gesucht, die das Sozialverhalten der

kationsfähigkeit,

Bakterien steuern. Ausgehend von der Anzahl der Gene,

gerichtetes Handeln

die einerseits der Verarbeitung von Umweltinformationen

und die Fähigkeit,

dienen und andererseits der Kommunikation mit

sozial zu inter-

der Außenwelt, entwickelten die Forscher nun eine

agieren, zum Maß

Skala zur Bewertung des „sozialen IQ“ von Mikroben.

der Intelligenz

Diese Skala nutzten sie, um die sozialen Fähigkeiten von

dazu. Zu all dem

500 Bakterienarten zu vergleichen. Das Bewusstsein um

sind auch einige

deren sozialen Intelligenz könnte uns Menschen dazu

Bakterienstämme

dienen, deren Fähigkeiten besser ausnutzen zu können

fähig.

und pathogene Bakterien auszutricksen. Längst nicht alle Bakterien sind die einfachen, solitären Organismen, als die sie gerne betrachtet werden. Im Verband können sie als hochsoziale, fortgeschrittene Lebewesen agieren. Deren Verständigung erfolgt über eine Vielzahl jeweils spezialisierter chemischer Signale, die wir erst seit kurzem begonnen haben zu entschlüsseln. Ihre Zusammenarbeit äußert sich in ihrer Fähigkeit komplexe und dynamische Kolonien zu bilden. (siehe Abbildung: Paenibacillus Vortex – Der Durchmesser der Kolonie beträgt 8 cm; es befinden sich dort 100 mal mehr Bakterien als es Menschen auf der Erde gibt.)

64

In dem sie gemeinsam tätig sind, erkennen diese kleinen

Die Zahl der

Organismen die Umwelt, sie bearbeiten Informationen,

Bakterien in einer

sie entwickeln eine Gruppenidentität und begreifen

Kolonie ist größer

die anderer Kolonien, sie lernen aus Erfahrungen

als die Zahl der

um sich ständig zu verbessern und beteiligen sich an

Menschen die auf

kollektiven Entscheidungen um auch unter harten

der Erde leben –

Bedingungen zu überleben. Unter guten Bedingungen,

dabei wissen die

wenn Bakterien einer nährstoffreichen Umgebung aus-

Bakterien genau

gesetzt sind, anstatt hektisch die verfügbaren Resourssen

was sie tun.

auszureizen, sparen sie für die Zukunft und richten sich auf schwierigerere Zeiten ein. Auch extreme Umweltbedingungen können gewisse Bakterien in Form von Sporen über Jahre hinweg überstehen. Sporulation ist ein Prozess, der im Kollektiv ausgeführt wird und erst nach einer gemeinsamen Entscheidung stattfindet.


Erschöpfte Zellen senden chemische Signale aus um ihre Belastung allen anderen mitzuteilen. Die Empfänger verwerten diese Information und interpretieren den Zustand der Kolonie im Verhältnis zum eigenen Befinden. Daraufhin sendet wiederum jede Zelle ein Signal aus um für oder gegen einer Sporulation zu stimmen. Nachdem alle Mitglieder der Kolonie ihre Entscheidung verkündet haben, findet eine Sporulation statt, insofern die Mehrheit dafür ist. Solche Sporen sind dann bemerkenswert resistent gegenüber Hitze (>100°C), Trockenheit, UV- und Röntgenstrahlung und organischen Lösemitteln und können mehrere 1000 Jahre überdauern und bei verbessertem Nährstoffangebot wieder auskeimen. Die Sporulation verläuft in sieben Phasen, in der bis zu 200 Gene im Organismus aktiv bzw. inaktiv werden. Die dafür benötigte Zeit beträgt etwa 7 bis 8 Stunden. Da aber die Verwandlung viel Energie kostet und nur schwer rückgängig zu machen ist, stellt der Dauerschlaf als Spore für die Mikroorganismen nur den letzten Ausweg dar. An der Harvard University in Cambridge, Massachusetts, untersuchte man den Heubazillus (Bacillus subtilis), der in Fungiziden und Medikamenten zu finden ist und fand heraus, was dieser macht, um die Sporulation zu verhindern: Der Stoffwechsel wird heruntergefahren, neue Nahrungsquellen werden erschlossen, und letztlich wird ein Gift freigesetzt. Vergleichbar mit einem Antibiotikum bricht der Stoff die Zellen anderen Heubazillen auf, die das Sporenstadium noch nicht erreicht haben. Die attackierten Bakterien sterben ab, die „Kannibalen“ nehmen die dabei freigesetzten Nährstoffe auf. Doch statt die neu gewonnene Energie in die Sporulation zu stecken, wachsen diese Bakterien weiter. Offensichtlich versuchen die hungrigen Organismen möglichst viel Zeit zu gewinnen. Denn ist der Verwandlungsprozess erst einmal eingeleitet, kann er nicht mehr rückgängig gemacht werden, selbst wenn plötzlich wieder Nahrung zur Verfügung steht. Die Sporen wären damit verglichen mit ihren noch nicht verwandelten Verwandten deutlich im Nachteil – es sei denn, sie hätten ihre Konkurrenten zuvor allesamt verspeist.

65


Der menschliche soziale IQ

Es hat sich herausgestellt, dass in unserer Gesellschaft emotionale Intelligenz und Sozialkompetenz gleichermaßen wichtig sind und dass Personen mit einem außerordentlich hohen IQ meistens schwache soziale Fertigkeiten besitzen. Soziale Intelligenz ist die Fähigkeit eines Individuums die Umwelt wahrzunehmen und zu verstehen und sich mit seiner Umgebung wirkungsvoll auseinander zu setzen. Angesichts dessen, hat man eine soziale-IQ-Skala entwickelt ähnlich dem gewohnten IQ, bei dem der Durchschnitts-S-IQ-Wert mit 100 Punkten definiert ist; sozial begabte Individuuen haben einen S-IQ-Wert der eine Standardabweichung über der Norm aufweist, während der Wert bei sozial Hochbegabten zwei Standardabweichungen erkennen lässt.

Des soziale IQ der Bakterien

Das Ergebnis der Studie aus Tel Aviv: Paenibacillus vortex und zwei andere Arten dieser Gattung haben den höchsten sozialen IQ aller 500 entschlüsselten Bakterienarten, ihre Werte lagen um mehr als die dreifache Standardabweichung über denen des Durchschnitts. Zum Vergleich: Zu den Menschen mit einem IQ der dreifachen Standardabweichung gehören Genies wie Albert Einstein, Stephen Hawking oder Richard Dawkins. 66

Alltägliche Krankheitserreger wie beispielsweise das Tuberkelbazillus, der Erreger der Tuberkulose, kommunizieren nur wenig mit ihren Artgenossen und erwiesen sich deshalb als nur mittelmäßig sozial begabt; Ihr sozialer IQ erreichte gerade einmal den Durchschnitt. Nach Ansicht der Wissenschaftler ergeben sich aus ihrer Studie drei grundlegende Schlussfolgerungen: Zum einen zeigt sie, wie „schlau“ Bakterien wirklich sein können – eine Sichtweise, die sich gerade erst in der Wissenschaftlergemeinde durchzusetzen beginnt. Als zweites demonstriert sie eingehend, wie Bakterien zusammenarbeiten um zu kommunizieren und zu wachsen. Und drittens weisen die Erkenntnisse auf einige potenziell vielversprechende Anwendungen in Medizin und Landwirtschaft hin.


67

Paenibacillus vortex ist ein meist stäbchenförmiges Bakterium das im Boden lebt und erstaunliche Sozialverbände bilden kann. Es prägt, indem verschiedene Gruppen des Sozialverbandes zu unterschiedlichen Formen heranwachsen, geradezu florale Muster aus. Ob es Muster bildet und welche, hängt unter anderem von den chemischen Signalen ab, die andere Gruppen des Verbandes aussenden.


Genome (Mbp) ist die Maßeinheit für die Größe des Erbguts in Mega Basen Paaren (Mbp), also die Anzahl der Buchstaben P. vortex hat ~6.3 Buchstaben, das sind 6,3 Mega (Millionen) Basen Paare. Der Soziale IQ-Wert ist eine Kombination aus mehreren Werten die aus verschiedenen bakteriellen Systemen hervorgehen, wie z.B. das Signalübertagungssystem; je mehr Aufnehmer ein Bakterium hat, umso besser

Rhodococcus Sorangium cellulosum Thermoanaerobacter Vibrio fischeri Wolinella succinogenes Xylella fastidiosa Yersinia pestis Antiqua Zymomonas mobilis mobilis

(ACTG) in jedem Genom der Bakterien.

kann es die Umwelt wahrnehmen und darauf reagieren. Das Abwehr-, und Angriffssystem Sub-stanzen, die Bakterien produzieren um sich zu schützen und anzugreifen. Es wurde also bei den 500 Bakterienarten mit entschlüsseltem Erbgut die Anzahl der Gene gezählt, die für diese Systeme zuständig sind. Der Wert der Abweichung wurde geprüft und daraus resultiert der Soziale IQ-Wert (Social-IQ Score). Dieser gibt an, wie groß die Abweichung von der Norm ist.

außerordentlich hoher sozialer IQ durchschnittlicher sozialer IQ sehr niedriger sozialer IQ

Anoxybacillus flavithermus Bacillus anthraci Clostridium phytofermentans Deinococcus Radiodurans Escherichia coli Flavobacterium johnsoniae Geobacter sulfurreducens Haemophilus somnus

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Idiomarina loihiensis Jannaschia Klebsiella pneumoniae pneumoniae Leptothrix cholodni Mycobacterium tuberculosis Nocardioides Opitutus terrae Paenibacillus vortex

definiert hingegen die antibakteriellen


1,43385755421526 1,31716648731093 1,30960645555668 1,06646610032655 1,03897124185466 0,995924123828406 0,521881712960813 0,43544556560737 0,325084215049424 0,300225700964769 0,203935764975236 0,0270492402228385 0,0622856087070739 0,00390469911907004 -0,496703831904246 -0,612118025388861 -0,692839105247415 -0,695222599830886 -0,716577874013295 -0,720211424445176 -1,05014246486107 -1,08390335463259 -1,10886212501036

4,847594

13,033779

9,702737

5,957605

5,694894

5,227293

4,909403

6,096872

5,293685

5,594477

4,879836

3,814139

4,503336

4,404049

3,284088

4,419977

2,839318

2,846746

2,110355

2,689445

2,73175

2,263857

2,056416

Score 3,28456924901878

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

6,384828

Genome (Mbp)


4

70

Analogie


„Dem Gesetz der Entsprechung liegt das Verständnis zugrunde, dass zwischen allen Dingen und auf allen Ebenen eine Analogie vorhanden ist. Das bedeutet, dass sich im Großen wie im Kleinen alles entspricht, dass das Oben dem Unten und das Innen dem Außen gleicht. Diesem Gesetz zufolge wäre es möglich Rückschlüsse vom Bekannten auf das Unbekannte zu ziehen. Denn jede Erkenntnis, und sei sie noch so gering kann auf einen großen, übergeordneten Zusammenhang übertragen werden und findet dort seine Entsprechung.“

71


Die in lebenden Zellen enthaltenen DNS- und RNSMoleküle haben unter mehreren Funktionen auch eine Zeichenfunktion; sie enthalten Informationen gemäß einem willkürlichen System, in dem jedes „Wort“ drei „Buchstaben“ besitzt. Bis vor nicht allzu langer Zeit betrachteten viele die Verwendung von Zeichen als spezifisches Merkmal nur des Menschen. Wer jedoch das Menschsein dadurch definiert, dass er Eigenschaften auflistet, die lediglich der Mensch beisitzt, kommt in Schwierigkeiten. Unsere Fähigkeiten sind in der Vergangenheit entstanden, die uns mit anderen Gattungen gemeinsam ist. Warum also sollten wir uns als gänzlich verschieden von ihnen betrachten? Wir denken, dass wir besonders hoch entwickelte Wesen sind und auch hoch entwickelte Chromosomen haben und dass Bakterien primitive Lebensformen wären. In Wahrheit ist es genau umgekehrt. Hochentwickelt sind die bakteriellen Chromosomen; Organismen die ihre Zahl alle 20-60 Minuten verdoppeln können und das schon seid Milliarden von Jahren tun. Bakterien sind in allen ihren Funktionen sehr effizient. In ihrem genetischen Alphabet ist kein Buchstabe überflüssig. So wie der Mensch sich mittels der Sprache äußert, so kommunizieren einzelne Zellen mit Hilfe von Eiweiß- und sonstigen Molekülsignalen miteinander und tauschen Informationen aus. Zum Beispiel überziehen an die 600 verschiedenen Bakterienspezies jeden Morgen unsere Zähne mit einem hauchdünnen Bio-Film, wobei sie sich jedes Mal in genau 72

demselben Muster anordnen. Zu diesem Zweck müssen sie in der Lage sein, die eigene Art von anderen Arten zu unterscheiden. Manche Bakterien kommunizieren miteinander, um festzustellen, wie viele sie sind, um das Immunsystem ihres Wirtes zu durchbrechen. (...) Zellen empfangen Eindrücke auf zahlreichen „Signalwegen“ gleichzeitig und müssen sie miteinander vergleichen und interpretieren, bevor sie ihre Entscheidungen treffen. Wir kennen schon mehrere Methoden, derer sich die Zellen dabei bedienen. Aber auf diesem Gebiet gibt es noch viel zu tun.

(Quelle: Intelligenz in der Natur, Jeremy Narbi)


Die Erkenntnis, dass eine gewisse Intelligenz und Wissensfähgkeit auch außerhalb der Menschheit existiert, führt zu dem Schluss, dass eigentlich alles auf dieser Welt eine Analogie findet: Wie im Großen – so im Kleinen. Für alles, was es auf der Welt gibt, gibt es auf jeder Ebene des Lebens eine Entsprechung. Man kann daher das Große (z.B. der Mensch) im Kleinen (das Bakterium) und das Kleine im Großen erkennen. Trotzdem scheint noch ein wesentlicher Unterschied zwischen dem heutigen Menschen und anderen Lebensformen zu bestehen. Organismen wie die Bakterien können in Echtzeit lernen. Sie akkumulieren Informationen, sie lernen. Das traurige daran ist, wenn sie sterben, stirbt die Information mit ihnen. Was Menschen besonders macht ist die menschliche Sprache. Wir sind gesegnet mit einer Sprache, ein System der Kommunikation, so mächtig und so präzise, dass wir mit solcher Präzision zeigen können, was wir gelernt haben, dass es im kollektiven Gedächtnis akkumuliert werden kann. Das bedeutet, es kann die Individuen, die die Information gelernt haben, überleben, es kann sich von Generation zu Generation akkumulieren. Wir können unser Wissen außerhalb von uns in künstlichen Erzeugnissen speichern, zum Beispiel in geschriebenen Texten. Das gibt der Weitergabe des Wissens eine hohe Beschleunigung und erzeugt eine ungemein steile Lernkurve, wie sie keine andere Gattung aufweist. Wir erwerben Wissen und geben es weiter. Das ist warum wir, als Spezies, so kreativ und mächtig sind, und das ist warum wir eine Geschichte haben. Es scheint wir sind die einzige Spezies in vier Milliarden Jahren die diese Gabe hat. Diese Fähigkeit nennt man kollektives Lernen. Sie ist es, die uns den meisten anderen Lebensformen überlegen macht.

(Quelle: David Christian: Big history)

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Das menschliche Nervensystem besteht aus vernetzten, mikrometergroĂ&#x;en Neuronen und Gliazellen.

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Das Universum, mit Tausenden von Sternen und Galaxien, die einen Durchmesser von Milliarden Lichtjahren erreichen. Zusammen deuten diese Systeme auf sehr 채hnliche Strukturen hin.

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Quellennachweis

Literatur

Humberto R. Maturana, Francisco J. Varela:

Der Baum der Erkenntnis – Die biologischen Wurzeln menschlichen Erkennens

Frankfurt am Main: Fischer Taschenbuch Verlag, 2010

Gerhard Gottschalk:

Welt der Bakterien, Die unsichtbaren Beherrscher unseres Planeten

Weinheim: WILEY-VCH Verlag, 2009

Hans Günther Schlegel, Georg Fuchs:

Allgemeine Mikrobiologie

Stuttgart, New York: Georg Thieme Verlag, 1969, 2007

Georg Schön:

Bakterien. Die Welt der kleinsten Lebewesen

Berlin, Ullstein Verlag, 1927

Jeremy Narby:

Intelligenz in der Natur

Baden, München: AT Verlag, 2006

Elmer W. Koneman:

Am anderen Ende des Mikroskops:

Bericht vom Ersten Außerordentlichen Bakterienkongress

Spektrum Akademischer Verlag, 2003, 2010

Pedro Galliger:

Abenteuer Mikrowelt

Haupt Verlag, 2007

Ludger Derenthal, Christiane Stahl:

Mikrofotografie, Schönheit jenseits des Sichtbaren

Hatje Cantz Verlag, 2010

Ernst von Khuon:

Das Unsichtbare sichtbar gemacht

Düsseldorf: Econ Verlag, 1968

Jean Claude Ameisen, Yvan Brohard:

Das Schöne und die Wissenschaft

München: Frederking & Thaler Verlag, 2008

Daniel Golemann:

Soziale Intelligenz: Wer auf andere zugehen kann, hat mehr vom Leben

München: Knaur Verlag, 2008


Internet

Bonnie Bassler on how bacteria „talk“.

Online im Internet: URL: „www.ted.com/talks/lang/eng/bonnie_bassler_on_how_

bacteria_communicate“

April 2009

Sozialer IQ für Bakterien? Paenibacillen sind „Genies“, Tuberkuloseerreger „nur Durchschnitt“.

Online im Internet: URL: „www.scinexx.de/wissen-aktuell-12892-2011-01-26“

Mai 2011

Realizing Social Intelligence of Bacteria.

Online im Internet: URL: „http://star.tau.ac.il/~eshel/realizing_bacteria“

März 2011

David Christian: Big history.

Online im Internet: URL: „www.ted.com/talks/david_christian_big_history“

April 2011


MINUS 1  

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