Antibakterielle Schutz­kapsel

Gut geschützt im Gloeocapsoid

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Im Boden herrscht ein dichtes Gedränge von Bakterien und Pilzen. Eher unbekannt ist, dass auch Algen zu den typischen Boden­bewohnern gehören. Durch ihre Fähigkeit, Sonnenlicht als Energiequelle zu nutzen und Kohlenstoff­dioxid aus der Luft zu fixieren, spielen sie eine wichtige Rolle am Anfang der Nahrungskette.

Das Leben im Boden stellt Organismen allerdings vor vielfältige Heraus­forderungen. So können hohe Salzkon­zentrationen oder niedrige pH-Werte vorherrschen, oft sind Nährstoffe wie Phosphate knapp, und hinzu kommen unzählige Konkurrenten oder Fressfeinde. Um sich im Gedränge miteinander zu verständigen, bilden viele Boden­organismen kleine Moleküle des Sekundär­stoffwechsels, die oft hemmende oder tödliche Wirkungen auf Konkurrenten oder Fressfeinde haben. Ihre Erforschung ist nicht immer leicht, weil viele Sekundär­metabolite nur im Kontakt mit anderen Organismen gebildet und deshalb im Labor oft übersehen werden.

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Geheimnisvolle Bodenwelt

Die Arbeitsgruppe von Axel Brakhage vom Leibniz-Institut für Naturstoff­forschung und Infektions­biologie in Jena hat sich darauf spezialisiert, den Boden­organismen diese Geheimnisse zu entlocken. Erst als Doktorand und nun als Postdoc beschäftigt sich Mario Krespach dort mit dem Wechselspiel zwischen dem filamentösen Bakterium Streptomyces iranensis, Pilzen aus der Gattung Aspergillus und der Grünalge Chlamy­domonas reinhardtii. Dabei hat er eher zufällig bei der in feuchten Böden häufigen einzelligen Grünalge C. reinhardtii einen Schutz­mechanismus vor einem Naturstoff entdeckt, der ein ganz neues Licht auf die Evolution von Vielzellern wirft.

Einer der von S. iranensis gebildeten Sekundär­metaboliten ist das sogenannte Margino­lakton Azalomycin F. „Marginolaktone sind Makrolaktone, unterscheiden sich aber dadurch, dass ihre Biosynthese mit Arginin oder Ornithin beginnt“, erklärt Krespach die Entstehung des Kofferworts Margino­lakton. „Sie werden von vielen Aktinomyzeten, zu denen die Gattung Streptomyces gehört, produziert. Bekannt sind sie schon seit den 1950er- und 1960er-Jahren als Wirkstoffe, die gegen Gram-positive Bakterien, Pilze und neuerdings auch Algen wirken.“

Versteckt im Pilzmyzel

Auf C. reinhardtii wirkt Azalomycin F ab einer bestimmten Konzentration tödlich. Um dem zu entkommen, nutzt die Alge das Myzel des Schimmelpilzes Aspergillus nidulans als Versteck, weiß sich aber auch ohne Pilzpartner zu helfen, wie Krespach heraus­gefunden hat. Dazu bildet sie Zellaggregate, die aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit Strukturen von Cyanobakterien der Gattungen Gloeo­capsa und Gloeo­theca den Namen Gloeo­capsoide erhielten. „Die Gloeo­capsoide wurden entdeckt, als wir untersuchen wollten, ob die Aktivität von Azalomycin F pH-abhängig sei“, erzählt der Mikrobiologe. Während bei pH 7 toxische Azalomycin-F-Konzen­trationen die Algen abtöten, beobachteten Krespach und Co, dass „bei einem basischen pH von 8-9 Chlamydomonas reinhardtii stattdessen Aggregate bilden.“

Viele Algen schließen sich zum Schutz vor ungünstigen Einflüssen wie hohen Kochsalz-Konzen­trationen zu mehrzelligen Komplexen zusammen, die außerdem zu groß sind, um von Fressfeinden verschlungen zu werden. Diese nach der in Zellclustern wachsenden Grünalge Palmella benannten Palmelloide sind schon lange bekannt. Sie entstehen, wenn sich die Tochterzellen nach der Zellteilung nicht aus der gemeinsamen Zellwand befreien können. Dadurch bleiben die Tochterzellen in einem Zellverbund zusammen, der von einer gemeinsamen Hülle umgeben ist.

Selbstgewählte Isolation

Als die Forscher Mikroskopie-Bilder von bereits bekannten Palmelloiden mit den neuen Gloeo­capsoiden verglichen, entdeckten sie, dass sich diese im Aufbau unterscheiden. Auffällig war, dass die Zellen in den Aggregaten von vielen gemeinsamen Plasma­membranen und Zellwänden umgeben waren. Die äußerste Membran wirkte porös – möglicherweise weil sie von Azalomycin F, das wie alle Margino­laktone an der Plasmamembran wirkt, angegriffen wurde. Für Letzteres spricht auch, dass zwei strukturell verwandte Margino­laktone, Desertomycin A und Monazomycin, ebenfalls die Bildung von Zellaggregaten auslösen konnten, während strukturell verschiedene Verbindungen, die ebenfalls die Membran angreifen, wie Amphotericin B und Daptomycin, dies nicht tun. Eine Einkerbung in der äußeren Membran wies darauf hin, dass hier einst die Flagelle gesessen hatte und es sich deshalb wohl um die Zellhülle der ursprünglich freischwim­menden Mutterzelle handelt.

Ebenfalls ungewöhnlich ist die ausgedehnte Matrix aus sauren Polysacchariden, die sich zwischen dieser äußeren Membran und der nächsten Plasma­membran befindet. Im Unterschied zu den Einzelzellen waren dagegen nur wenige Lipidtröpfchen und Stärke­körnchen vorhanden, und es fehlten auch die sekre­torischen Vesikel, mit denen die einzelligen Algen normalerweise mit ihrer Umwelt im Kontakt stehen. Dies deutet darauf hin, dass sich Gloeo­capsoide von ihrer Umwelt isolieren. Die Aggregate wurden nur vorübergehend gebildet; wurde Azalomycin F entfernt, zerfielen sie innerhalb weniger Tage.

Auf dem Weg zur Vielzelligkeit

Um die Funktion der Gloeo­capsoide aufzuklären, lösten Krespach und Kollegen zuerst ihre Bildung bei pH 7 aus und erhöhten dann den pH-Wert. Im Unterschied zu einzelligen Algen überleben die Zellen in den Aggregaten bei pH 10 und 11. Auch vor einer normalerweise tödlichen Azalomycin-F-Dosis waren sie geschützt. Für andere Palmelloide galt das nicht. Da Strepto­myceten nicht nur Azalomycin F bilden, sondern auch den pH-Wert ihrer Umgebung aktiv erhöhen, um bakterielle Konkurrenten auszuschalten, sind die Gloeo­capsoide optimal an den Schutz vor den Bakterien angepasst.

Aber wie kommt der Schutzeffekt zustande? Frühere Arbeiten (ISME J, 14(11):2794-2805) deuteten an, dass Azalomycin F an Lipide der Zellmembran seiner Zielzellen binden könnte. „Unsere derzeitige Hypothese ist, dass Azalomycin F durch seine Guanidyl­gruppe bei physiologischem pH eine positive Ladung trägt, die wichtig für seine Aktivität ist“, spezifiziert Krespach. „Wir vermuten, dass die für Gloeo­capsoide typischen Extraschichten an Zellhüllen und die extrazelluläre Polysaccharid-Matrix Azalomycin F bindet und damit abfängt, sodass weniger Azalomycin F die darunter­liegenden Zellen schädigen kann.“ Da die Alge aber ein paar Tage benötigt, um Gloeo­capsoide zu bilden, kann sie sich nur an langsam steigende Azalomycin-F-Konzen­trationen anpassen. Die Bakterien nutzen diesen Schwachpunkt wohl aus, indem sie den Giftstoff kontinuierlich produzieren und erst bei Kontakt mit der Alge in hoher Konzen­tration abgeben.

Spekulatives Szenario

Am Ende spekulieren die Forscher, dass die Gloeo­capsoide am Anfang der Entwicklung von vielzelligen Organismen gestanden haben könnten. Dieser Schritt, der die Voraussetzung für Spezialisierung und Arbeits­teilung bei höheren Organismen war, wurde in vielen Algen-Ordnungen und auch bei den Chlamy­domonadales vollzogen. Zwar zerfallen die Gloeo­capsoide in Abwesenheit von Margino­laktonen schnell wieder. Sollten diese aber dauerhaft im Boden vorhanden gewesen sein, könnte das die Entwicklung zu echten mehrzelligen Grünalgen begünstigt haben. Da die entsprechenden Synthese­gene bei viele boden­bewohnenden Aktinomyzeten vorkommen, scheint dieses Szenario gar nicht so abwegig.

Larissa Tetsch

Krespach M. et al. (2021): Bacterial marginolactones trigger formation of algal gloeocapsoids, protective aggregates on the verge of multicellularity. PNAS 118, e2100892118

Bild: M. Krespach (Leibniz-HKI)

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