Wie viel nehmen eigentlich Bakterien aus ihrer Umgebung wahr? „Spüren“ sie, wenn sie die Pipettenspitze rauf- und runtergedrückt werden? „Spüren“ sie, ob das Medium dünn- oder dickflüssig ist?
Sie merken tatsächlich so einiges, und dies relativ schnell, wie Transkriptom-Analysen zeigen. Ein US-Forscherteam hat an seinem Lieblingsbakterium Pseudomonas aeruginosa beobachtet, dass sich binnen nur 20 Minuten im 50-100 µm engen Schwimmkanal aus Polydimethylsiloxan Genexpressionsmuster ziemlich gewaltig ändern. Insbesondere ein Operon aus 4 Genen („fro-Operon“) schoss um Faktor 13 in die Höhe, wenn die Bakterien den selbstgebauten Mikrofluidik-Kanal passierten.
Sind nur wenige Individuen, die besonders stark reagieren, für dieses Phänomen verantwortlich, oder trägt jede einzelne Zelle zu diesem Gesamteffekt bei? Um diese Frage zu beantworten, schauten sich die Wissenschaftler Zelle für Zelle einzeln an. Ihre Strategie hierfür bestand aus einem Reporter-Konstrukt, in welchem YFP (yellow fluorescent protein) bei Aktivierung der fro-Expression angeschaltet wurde. Zur Normalisierung diente ein konstitutiv exprimiertes mCherry-Gen.
Unterm Mikroskop zeigte sich, dass Einzelzellen allesamt verstärkt gelb fluoreszierten, wenn sie als Schwarm durch den Mikrofluidik-Kanal geschickt wurden. Ohne die Fließbewegung dagegen gab es nur schwache YFP-Signale, hier leuchtete nur der mCherry-Kontroll-Reporter unbeirrt weiter.
Jede Zelle hat also einen Sinn für Fließbewegungen. Dieser Sinn, von seinen Entdeckern auf „Rheosensing“ getauft, könnte daran liegen, dass Zellen die Scherkraft spüren. Wenn sie durch den Kanal in einer Flüssigkeit gedrückt werden, wirken auf ihnen Kräfte, die als Stress empfunden werden könnten. Zum einfachen bildlichen Vergleich in 2D: Wären Zellen ein Quadrat, erführen sie in der Strömung, je nach Stärke der Scherkraft, eine Verzerrung zu einem Rhombus. Je dickflüssiger ein Medium, desto stärker der Scherstress.
Nehmen die Bakterien nun einfach nur den Geschwindigkeitsgradienten (Scherrate) wahr, oder den Scherstress? (Scherstress = Produkt aus Scherrate mal Viskosität). Überraschenderweise scheint den Zellen wirklich nur die Scherrate wichtig, wie Experimente mit Ficoll-Verdünnungen zeigten. Solange die Strömungsgeschwindigkeit so angepasst wurde, dass sie konstant blieb, gab es in den verschieden viskösen Lösungen keine Unterschiede bezüglich fro-Induktion.
Was reguliert das fro-Operon? Zwei hauptverdächtige Gene, die unmittelbar vorm fro-Operon liegen, hatten die Forscher im Visier; einen alternativen Sigmafaktor und einen Anti-Sigma-Faktor. Tatsächlich blieb in Bakterienmutanten, die des Sigma-Faktors beraubt wurden, die strömungsinduzierte fro-Antwort aus. Sigma-Faktor-Überexpression dagegen kurbelte fro-Expression an. Beim Anti-Sigma-Faktor war es genau anders herum; Mutanten schalteten fro an, selbst in nicht-fließenden Zellen; und Anti-Sigma-Faktor-Überexprimierer blieben für fro-Induktion taub.
Es gibt also ein regulatorisches Antagonisten-Paar, welches Rheosensing-Antworten im Zaum hält. Dieses bedingt wohl auch, dass steigende Scherraten die fro-Expression nicht unbegrenzt wachsen lassen. YFP-Signale steigen sukzessive mit wachsender Scherrate, doch bei Scherraten von 800 pro Sekunde ist die Maximalantwort (YFP-Signal-Intensität der Zellen) erreicht. Die Empfindlichkeit der Zellen liegt grob im Bereich 40-400/s, und damit im Bereich dessen, was Bakterien im echten Leben so antreffen (z.B. menschliche Vene: 100/s; Arterien: 650/s).
Man stelle sich ein kurvenreiches Flussbett vor. Hier sind die Verwirbelungen und Strömungsgeschwindigkeiten im Kurveninnenrand besonders hoch. So ein Flussbett imitierten die Forscher wiederum mit ihren Mikrofluidik-Kanälen. Tatsächlich leuchteten jene Bakterien am stärksten, die in der Innenkurve langgeströmt wurden. In einem gebastelten Kanal in Fischgrätenform, d.h. einem Hauptkanal, der Sackgassen-artige Nebenkanäle speist, ist‘s in letzteren zappenduster (keine fro-Induktion), da die Lösung darin von der Hauptströmung kaum bewegt wird.
Mit Oberflächen-Berührung hat diese Antwort übrigens nichts zu tun. Überhaupt scheinen keine (bekannten) Fühler auf der Bakterienoberfläche für das Rheosensing verantwortlich zu sein. Pilus- oder Flagellum-Mutanten reagieren genauso wie ihre Wildtyp-Kollegen; und dies gilt offenbar nicht nur für P. aeruginosa. Eine Art molekulares Wasserrad wird vermutet, welches auf der Oberfläche säße, asymmetrisch geformt, und Scherraten-abhängig unterschiedlich stark aktiv wäre.
Einen potenziellen Vorteil des Scherkraft-unabhängigen Rheosensings sehen seine Entdecker darin, dass es Fließgeschwindigkeiten messen kann, ohne sich von Faktoren wie Viskosität oder Oberflächenhaftung beeinflussen zu lassen. Dies würde eine Anwendung in verschiedensten Systemen erlauben; egal ob in Bächen, Blutströmen oder medizinischen Gerätschaften.
Andrea Pitzschke
Sanfilippo J. et al. (2019): Microfluidic-based transcriptomics reveal force-independent bacterial rheosensing. Nature Microbiology, DOI: 10.1038/s41564-019-0455-0
