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Come On, Vibrio, Light My Fire

Mit Hilfe seiner symbiotischen Vibrio-Bakterien hat der Tintenfisch Euprymna scolopes eine einzigartige Tarnkappentechnologie entwickelt. US-Forscher samt Kollegen aus Kiel und Lyon fanden nun heraus, wie die ungleichen Partner zueinander finden – und was wir davon über unsere eigenen bakteriellen Untermieter lernen können.
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(30. August 2013) Der Ozean ist grausam. Wer zu sehr auffällt, wird gefressen – oder verhungert, weil alle Beutetiere vor der Nase davonschwimmen. Gute Tarnung ist deshalb für viele Meeresbewohner überlebenswichtig, gleich ob Jäger oder Gejagter.

Wer beim Stichwort ‚Tarnung’ jedoch an gedeckte Farben denkt, liegt in diesem Fall allerdings nicht ganz richtig. Von der Tiefe zur Wasseroberfläche hin gesehen hebt sich ein möglichst helles Tier nämlich weniger ab als dunkle Schatten über den Köpfen der Feinde.

Der nachtaktive Tintenfisch Euprymna scolopes hat dieses Versteckspiel durch Kontrastverringerung perfektioniert. Wie ein klingonischer Bird of Prey in ‚Star Trek’ kann er eine Tarnkappe an- und ausknipsen. Durch einen genialen Zaubertrick der Natur verschwimmen dessen Konturen auf diese Weise gegen den Hintergrund der Wasseroberfläche, auch wenn starkes Mondlicht auf die Meeresoberfläche fällt.

Wie das geht? So widersprüchlich es klingen mag: Euprymna macht Licht an, um sich zu tarnen. Er verfügt zu diesem Zweck über ein Leuchtorgan, das je nach Lichtsituation den Kontrast zum Hintergrund verringert. Klingt erstmal nach einer Just So Storyallerdings hatten Richard Young und Clyde Roper schon 1976 experimentell bestätigt, dass Konterschattierung (Countershading), wie die Autoren diese Art der Tarnung nannten, ein plausibler Grund für die Existenz der Tintenfisch-Beleuchtung ist.

Allerdings: Schaut man genau hin, wird man feststellen, dass die Zwergtintenfische gar nicht selbst leuchten, sondern vielmehr biolumineszente Bakterien der Art Vibrio fischeri. Das Leuchtorgan selbst ist eine kleine Kaverne mit mehreren Kammern, in die nur die Bakterien der richtigen Art durch eine bestimmte Pore Zugang bekommen.

Wie aber kommunizieren Zwergtintenfisch und Bakterium? Und wie finden sie überhaupt zueinander? Vibrio macht gerade mal 0,1 % der Bakterien-Gesellschaft im Meerwasser aus. Wenn aber die richtige Bakterienart einmal Kontakt mit einem jungen Euprymna scolopes aufnimmt, beginnt umgehend eine Kaskade an physiologischen und genetischen Ereignissen. Nur fünf Vibrio-Zellen reichen aus, um die Symbiose zu etablieren. Zilien-bewehrte Oberflächen, Schleim-Epithelien und chemische Signale leiten die Bakterien im Tintenfisch in die richtige Richtung. Zugleich stellen die Bakterien ihrerseits ihren Stoffwechsel um, schon in Vorbereitung auf das extreme Milieu im Inneren des Tiers. Am Ende dieser „Kennenlernphase“ richten sich die Vibrios schließlich im Leuchtorgan des Tintenfisches häuslich ein.

Natacha Kremer von der University of Wisconsin und 15 Kollegen, darunter auch Forscher der Christian-Albrechts-Universität Kiel, haben diese spannende Anfangsphase der Symbiose jetzt mit genomischen Methoden genauer untersucht (Cell Host & Microbe, vol.  14(2): 183-94). Die Forscher verglichen unter Anderem die Genexpressionsmuster vor und nachdem Jung-Tintenfische ihren ersten Kontakt mit Vibrio hatten; als Kontrolle dienten gleichaltrige Tintenfische, die keine Berührung mit biolumineszenten Bakterien hatten.

Zwei Ergebnisse der Arbeit stechen heraus: Erstaunlich ist erst einmal, dass der lokal begrenzte Kontakt zu nur fünf Bakterienzellen ausreicht, um die Gen-Expression in allen 10.000 Zellen des Leuchtorgans umzustellen. Der Tintenfisch wird dadurch quasi in Alarmbereitschaft versetzt: „Die Vibrios sind da, jetzt gilt's “.

Insbesondere aber verstehen die Forscher mit Hilfe der Transkriptom-Daten jetzt besser, wie die Besiedlung des Leuchtorgans abläuft. Euprymna hält seinen Untermietern nämlich sozusagen die Tür auf und weist ihnen nachfolgend den Weg zu ihrem zukünftigen Zuhause. Wie Kremer und Kollegen herausfanden, ist dabei die Tätigkeit des Enzyms Chitotriosidase entscheidend, das folgerichtig nach dem Erstkontakt mit Vibrio verstärkt produziert wird.

Dieses Enzym verdaut Chitin, wobei unter anderem das Abbauprodukt Chitobiose entsteht. In ihrem Paper demonstrieren Kremer et al. nun, dass die Chitotriosidase nicht gleich verteilt ist, sondern vor allem an den Eingängen zum Leuchtorgan aktiv ist. So entsteht ein Gradient, den die Bakterien letztlich zur Orientierung nutzen. Angezogen von der Chitobiose wandern sie in das Leuchtorgan ein, wo sie ihr Gastgeber mit Zucker und Nährstoffen versorgt. Im Gegenzug werfen die Vibrios ihre Lichter an und sorgen so dafür, dass ihr Wirt möglichst unauffällig seine Bahnen im Mondlicht schwimmen kann.

Fazit: Ein faszinierendes Modellsystem zur Erforschung symbiotischer Tier-Bakterium-Beziehungen, das zudem experimentell recht gut kontrollierbar ist.

Aber es soll ja Leute geben, die mit solch einer reinen Ökologie-Geschichte nicht zufrieden sind. Wo denn dabei die Relevanz für den Menschen sei, fragen sie gerne. Allerdings muss man gar nicht tief nach Argumenten graben, um die Bedeutung dieses Modellsystems auch für die humanmedizinische Grundlagenforschung zu erkennen. Denn auch der Mensch ist im Prinzip ein Superorganismus aus eigenen Zellen und Bakterien, ohne die er nicht lange überleben könnte. Gleich nach der Geburt besiedeln nützliche Bakterien den Darm des Säuglings – mechanistisch ist das vergleichbar mit dem Einwandern der Vibrios in das Euprymna-Leuchtorgan. Anatomisch gibt es sogar gewisse Ähnlichkeiten in der Struktur der Epithelien, an denen die Bakterien jeweils festmachen.

Und auch beim Menschen ist die Erstbesiedlung durch hilfreiche Bakterien kein rein passiver Prozess; unsere Darmzellen kommunizieren vielmehr mit den bakteriellen Gästen, und die Bakterien müssen sich ihrerseits erst auf das extreme Milieu des Darms einstellen. Biomediziner können also durchaus vom Zwergtintenfisch lernen. Auch wenn unsere Darmbakterien leider nicht leuchten. Denn wenn Menschen „die Sonne aus dem Hintern scheint“, so ist das meines Wissens immer symbolisch gemeint.

Hans Zauner

Quellen:

# Jennifer J. Wernegreen: „First Impressions in a Glowing Host-Microbe Partnership“, Cell Host & Microbe, vol. 14(2): 121-3

# Kremer et al.: „Initial Symbiont Contact Orchestrates Host-Organ-wide Transcriptional Changes that Prime Tissue Colonization“, Cell Host & Microbe, vol.  14(2): 183-94

# Richard E. Young, Clyde F. E. Roper: „Bioluminescent Countershading in Midwater Animals: Evidence from Living Squid“, Science, vol. 191 (1976): 1046-48

# YouTube-Video über die Forschung an Euprymna scolopes in Madison: http://www.youtube.com/watch?v=x5-VcJyZRc4

 



Letzte Änderungen: 24.09.2013

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