Wie Bakterien ihre Mobilität optimieren

Pressemitteilung des Forschungscampus Mittelhessen
20. Dezember 2018

Sehr viele Bakterien sind beweglich, damit sie sich aktiv neue, bessere Lebensräume erschließen oder – etwa im Falle pathogener Spezies – erfolgreich in Gewebe eindringen und eine Infektion auslösen können. Weit verbreitet ist die Fortbewegung mit Flagellen, korkenzieherartig gewundenen Proteinfilamenten, die von einem Motor in Rotation versetzt werden und die Zellen durch Flüssigkeiten ziehen oder schieben können. Wie Bakterien ihr Flagellenfilament aufbauen, damit es in möglichst vielen Umgebungen – in Flüssigkeiten, in engen porösen Materialien, in Schleim – möglichst gut funktioniert, erforschte Marco Kühn in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Kai Thormann am Institut für Mikrobiologie und Molekularbiologie an der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) in enger Zusammenarbeit mit Felix Schmidt und Prof. Dr. Bruno Eckhardt vom Fachbereich Physik an der Philipps-Universität Marburg, sowie Nicola Farthing und Prof. Laurence Wilson vom Physik-Department der University of York in England. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Das Schwimmverhalten der jeweiligen Spezies wird maßgeblich durch die mechanischen Eigenschaften der Flagellen bestimmt. Daher schauten sich die Forscherinnen und Forscher insbesondere den molekularen Aufbau der Filamente an. Diese bestehen aus vielen Kopien eines speziellen Bausteins, der zur Proteingruppe der Flagelline gehört. Ungefähr die Hälfte der flagellierten Bakterienspezies verbaut in ihrem Filament nicht nur einen sondern mehrere unterschiedliche Flagellin-Bausteine. Bisher ist weitgehend unbekannt, warum dies der Fall ist.

In ihrer Studie untersuchten die Forscherinnen und Forscher den Modellorganismus der Gattung Shewanella, der zwei Flagelline zum Aufbau eines einzelnen Flagellums am Zellpol des stäbchenförmigen Bakteriums nutzt. Dabei konnten sie zeigen, dass einer der beiden Bausteine primär an der Basis der Filaments dicht an der Zelle verbaut wird, während der verbleibende größere Abschnitt des Filaments fast ausschließlich aus dem zweiten Baustein besteht.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erstellten Bakterienzellen, deren Flagellenfilament nur noch aus jeweils einem der beiden Bausteine bestand, oder in dem die Reihenfolge der Bausteine umgekehrt wurde. Dadurch änderten sich die Schwimmeigenschaften der Zellen signifikant – jedoch nicht zum Guten: Die beste Fortbewegung unter verschiedenen Bedingungen zeigten die Wildtyp-Zellen mit der Originalzusammensetzung des Flagellenfilaments.
 
Computergenerierte Simulationen liefern dafür eine Erklärung. Sie zeigen, dass der untere Abschnitt aus dem einen Baustein das Filament so verstärkt, dass es beim freien Schwimmen weitestgehend stabil bleibt. Steckt die Zelle hingegen beispielsweise in einem Sediment fest, wickelt sich das Filament um die Zelle herum, was eine schraubende Bewegung erlaubt. Diese ungewöhnliche, und für die Motilität in strukturierten Umgebungen essentielle Bewegungsform wurde von den Gießener und Marburger Arbeitsgruppen kürzlich erstmals beschrieben. Um unter allen Bedingungen gut zu funktionieren darf das Flagellenfilament daher weder zu steif noch zu weich sein – und genau dies wird durch den segmentierten Aufbau aus zwei Bausteinen sichergestellt.

„Ein ähnlicher Aufbau des Filaments findet sich bei sehr vielen anderen Bakterien“, so Prof. Dr. Kai Thormann. „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass auch andere Spezies mit dem beschriebenen Mechanismus ihr Vorankommen in der Umgebung optimieren.“

Eine perfekte Anpassung an eine genau festgelegte Umgebung birgt allerdings die Gefahr, dass Zellen bei leicht unterschiedlichen Umgebungen Probleme bekommen. Daher zeigt die Segmentierung der Filamente innerhalb einer Bakterien¬population eine ausgeprägte Varianz, damit immer ein Teil der Zellen optimal auf die entsprechenden Bedingungen eingestellt ist und das Überleben der Kolonie gewährleistet wird.

• Publikation:

Kühn, M. J., Schmidt, F. K., Farthing, N. E., Rossmann, F. M., Helm, B., Wilson, L. G., Eckhardt, B., Thormann, K. M. (2018). Spatial arrangement of several flagellins within bacterial flagella improves motility in different environments. Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-018-07802-w
https://www.nature.com/articles/s41467-018-07802-w

• Weitere Informationen:

Der Forschungscampus Mittelhessen (FCMH) ist eine hochschulübergreifende Einrichtung nach §47 des Hessischen Hochschulgesetzes der Justus-Liebig-Universität Gießen, der Philipps-Universität Marburg und der Technischen Hochschule Mittelhessen zur Stärkung der regionalen Verbundbildung in der Forschung, Nachwuchsförderung und Forschungsinfrastruktur.

Das Erkennen übergreifender Strategien von Mikroben und Viren sowie deren Interaktion untereinander und mit dem Wirt ist das zentrale Ziel der gemeinsamen Forschungsaktivitäten der Forschenden der JLU und der UMR im Campus-Schwerpunkt „Mikrobiologie und Virologie“.

• Kontakt:

Prof. Dr. Kai Thormann
Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut für Mikrobiologie und Molekularbiologie
iFZ, Heinrich-Buff-Ring 26, 35392 Gießen
Telefon: 0641 99-35545

Prof. Dr. Bruno Eckhardt
Philips-Universität Marburg
Zentrum für Synthetische Mikrobiologie SYNMIKRO und Fachbereich Physik
Renthof 6, 35032 Marburg
Telefon: 06421 28-21316

Pressestelle der Justus-Liebig-Universität Gießen, Telefon 0641 99-12041