Dass freischwimmende Bakterien registrieren müssen, wenn sie an eine feste Oberfläche stoßen, ist klar. Dies umso mehr, da es zwingend notwendige Voraussetzung dafür ist, wenn Bakterien sich zum Biofilm auf Oberflächen zusammenfinden – oder wenn sie etwa beim Kontakt mit unseren Schleimhäuten oder Zellen auf Virulenz schalten und ins Gewebe eindringen. Allerdings: Auf welche Art genau sie diesen entscheidenden Moment wahrnehmen, war bislang völlig unklar.
Ein Team um Isabelle Hug und Urs Jenal vom Biozentrum der Universität Basel weiß seit kurzem immerhin mehr darüber, wie das stäbchenförmige Alphaproteobakterium Caulobacter crescentus bemerkt, dass es gerade Kontakt mit etwas Festem bekommt: nämlich daran, dass sein Flagellum plötzlich nicht mehr ganz so frei rotiert wie noch kurz zuvor in rundum wässriger Umgebung (Science 358: 532-4).
Nach einer Reihe von Assays bot Caulobacter den Baslern schließlich folgendes Bild von seinem „Tastsinn“:
(via sciencemag.org)
Rotiert die singuläre Caulobacter-Flagelle im Uhrzeigersinn, schiebt sie die Zelle an – während sie bei entgegengerichteter Rotation diese hinter sich herzieht. In beiden Fällen müssen Protonen durch Ionenkanäle im membranverankerten Motorkomplex der Flagellenbasis ins Zellinnere fließen, damit der aus Rotor- und Stator-Ring bestehende Motor läuft und das steife, helikal gewundene Flagellum sich wie ein Propeller dreht. Berührt eine derart schwimmende Zelle jetzt eine Oberfläche, wird die Rotation des Flagellums gestört und der Protonenfluss im Motor unterbrochen. Diese Änderung der protonenmotorischen Kraft kurbelt nun die Produktion von zyklischem Di-Guanosinmonophosphat (c-di-GMP) an, das als Botenstoff innerhalb weniger Sekunden die Bildung eines „klebrigen“ Polysaccharid-Adhäsins an der Außenseite des Flagellenmotors induziert. Gleichzeitig bringt die Bakterienzelle mit Hilfe zweier einziehbarer Pili, die das Flagellum flankieren, den Flagellenmotor nahe an die Oberfläche heran, sodass der „Klebstoff“ diesen an der Oberfläche verankern kann.
Entscheidender Sensor für die mechanische Wahrnehmung der Oberfläche ist folglich der Flagellenmotor, der durch die Störung des Ionenflusses merkt, wenn die Flagelle nicht mehr frei rotieren kann – und umgehend die Verhaltensumstellung des Bakteriums initiert. Dass dies tatsächlich so ist, untermauerten die Basler zusätzlich mit weiteren Resultaten:
>> Konnte Caulobacter keine äußeren Flagellenteile bilden, waren die Zellen dennoch in der Lage, sich an Oberflächen anzuheften.
>> Mutanten mit Defekten im Rotor- oder Stator-Ring des Flagellenmotors konnten dies dagegen nicht mehr.
>> Und auch die Anwesenheit der beiden Pili war nicht zwingend erforderlich für das „Ankleben“ an Oberflächen.
Ob diese Ergebnisse mittelfristig neue Angriffspunkte bieten werden, um lästige bis schädliche Biofilmbildung zu unterbinden oder gar gewisse Bakterieninfektionen im Keim zu ersticken, bleibt jedoch vorerst unklar. Seniorautor Urs Jenal diktierte seiner Presseabteilung – durchaus mit berechtigtem Stolz – zwar Folgendes in den Block: „Am Beispiel von Caulobacter konnten wir nun zum ersten Mal zeigen, dass Bakterien über eine Art Tastsinn verfügen. Er hilft ihnen Oberflächen zu erkennen und kurbelt in diesem Fall die Produktion eines zelleigenen Sekundenklebers an.“ Allerdings waren sie beim „ersten Mal“ nicht ganz alleine: In der gleichen Science-Ausgabe folgt direkt nach dem Basler Beitrag ein weiteres Paper zum gleichen Thema (Vol. 358: 532-4). Und tatsächlich präsentiert ein US-Team darin Resultate, die eher doch auf die Pili als entscheidende Sensoren für den Caulobacter-Tastsinn deuten.
Ein Kommentator sagt dazu im selben Science-Heft letztlich das, was man in solchen Fällen meistens anführt (Vol. 358: 446-8): Die verschienenen experimentellen Bedingungen in den beiden Studien seien für die einander widersprechenden Schlussfolgerungen verantwortlich.
Das Ertasten von Oberflächen samt Anheftung scheint demnach bei Caulobacter doch etwas flexibler abzulaufen, als die beiden Teams das jeweils separat darstellen. Aber das ist ja grundsätzlich nichts wirklich Neues in der Wissenschaft.
Ralf Neumann