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Trickreich abgesichert durch Gift und Gegengift

Sie sind die älteste bekannte Lebensform, denn es gibt sie seit etwa drei Milliarden Jahren auf unserem Planeten: Cyanobakterien. Sie sind demnach recht ursprüngliche Organismen und wahrscheinlich ziemlich primitiv – oder etwa nicht? Die Freiburger Wissenschaftler Stefan Kopfmann und Prof. Dr. Wolfgang Hess vom Institut für Biologie III haben herausgefunden, dass die im Volksmund auch als Blaualgen bezeichneten Bakterien einen äußerst geschickten Selektionsmechanismus entwickelt haben, der unter anderem das Überleben der Kolonie gewährleistet. Dafür begehen einzelne Individuen auch mal Selbstmord.

Etwa 2.000 Formen von Cyanobakterien sind bekannt - allesamt fähig zur oxygenen Photosynthese. Sie sind die Hauptproduzenten des von uns geatmeten Sauerstoffs, weshalb sie früher zu den Algen gezählt wurden. Eine von ihnen ist Synechocystis, die für Stefan Kopfmann und Prof. Dr. Wolfgang Hess von besonderem Interesse ist. „Einerseits sind sie so spannend, weil sie nicht nur das Süßwasser, sondern auch Salzwasser und sogar Wüsten besiedeln“, findet Stefan Kopfmann, derzeit Doktorand im Hess-Labor, „außerdem haben einzelne Stämme spezielle Eigenschaften wie zum Beispiel die Stickstofffixierung, die sie so außergewöhnlich machen.“ Doch damit noch nicht genug der Außergewöhnlichkeiten. Unter besonderen Umständen kann es vorkommen, dass einzelne Zellen von Synechocystis plötzlich suizidal werden und in den Freitod gehen. Und als ob es hier eine Vorlage für einen dramatischen Hollywood-Film gäbe, geschieht dies auch noch mit einem effektiven Gift, das quasi schon in der Zelle bereitliegt.

Sinnloser Bakterien-Selbstmord?

Das Cyanobakterium Synechocystis PCC6803; Links: Mikroskopische Aufnahme, rechts: Autofluoreszenz © Stefan Kopfmann, Universität Freiburg

Cyanobakterien besitzen wie alle anderen Bakterien keinen echten Zellkern. Das bedeutet, ihre Erbinformation liegt als DNA frei, aber räumlich zusammengedrängt in einem Nucleoid der Zelle vor. Außerdem gibt es extrachromosomale Elemente, die auf einem ringförmigen Plasmid zusätzliche genetische Information beherbergen. Für die Primärfunktion des Organismus, zu atmen, Photosynthese zu betreiben oder sich zu vermehren, ist diese jedoch entbehrlich. Wozu ist sie dann überhaupt da?

Auch bei Bakterien ist es durchaus üblich, dass sie untereinander Informationen austauschen. Dies tun sie in Form von genetischer Information, die auf dem Plasmid lokalisiert ist. Dieser horizontale Gentransfer kann sehr schnell und über sämtliche Bakterienarten hinweg erfolgen. Auf solch einem Plasmid findet sich auch ein ausgeklügeltes Vergiftungs-System, das bei Bedarf aktiv wird und den sicheren Tod des betroffenen Individuums zur Folge hat.

Was bei einem mehrzelligen Organismus logisch ist und einen Schutz bedeutet, wenn er überschüssige oder infizierte Zellen in den programmierten Zelltod schickt, erscheint bei einem einzelligen Lebewesen absurd. „Auf den ersten Blick sieht das aus wie eine Sinnlosigkeit der Natur“, bemerkt Wolfgang Hess, „warum muss sich eine Zelle überhaupt vergiften und warum wird dann gleich auch noch das Gegengift geliefert?“

Toxin und Antitoxin als Sicherheitssystem

Toxin-Antitoxin-Systeme sorgen für den Erhalt des Plasmides. Geht das Plasmid verloren, greift das Toxin sein zelluläres Ziel an und führt zum selektiven Abtöten der betroffenen Zellen. © Stefan Kopfmann, Universität Freiburg
Bei dem Toxin-Antitoxin-System handelt es sich um ein weit verbreitetes Phänomen, das oft für das Überleben der Gesamtpopulation bedeutsam ist. Bereits in den 80er-Jahren entdeckte man auf Bakterienplasmiden genetische Informationen für Toxine sowie für ihre speziellen Antitoxine. Dabei stellte sich heraus, dass die Toxinkomponente jeweils ein stabiles Produkt ist, das sich eine Weile in der Zelle hält, während das Antitoxin sehr viel instabiler ist, schnell zerfällt und ständig neu hergestellt werden muss. Solch ein Plasmid liegt in mehrfacher Kopie in der Zelle vor und wird bei der Teilung zufällig auf die Tochterzellen verteilt. Dabei kann es vereinzelt passieren, dass mal eine Zelle leer ausgeht. Die Information für Gift und Gegengift ist dann verschwunden. „Beides wird nicht mehr nachproduziert“, sagt Stefan Kopfmann, „während das Antitoxin schneller kaputt geht, bleibt das Toxin in der Zelle erhalten. Dadurch kommt dieser toxische Effekt zustande.“ Das Bakterium stirbt. Der Gift-Gegengift-Mechanismus kann verschiedene Aufgaben erfüllen. Ein Ziel aber wird immer erreicht: Der Organismus, der das Plasmid nicht hat, existiert nicht weiter. Es sieht so aus, als sichere das Plasmid sein eigenes Bestehen. Dies leuchtet ein, wenn man weiß, was außerdem noch auf dem Plasmid sitzt. „Durch das Plasmid wird eine ganz besondere Extrafunktion bereitgestellt, die es zu erhalten gilt“, erläutert Hess, „und die codiert für ein prokaryotisches Immunsystem.“

Cyanobakterien haben ein Immunsystem

Was man hier 2008 als Immunsystem in Bakterienplasmiden entdeckt hat, funktioniert natürlich anders als bei Säugetieren, ist aber nicht minder effizient. Bakterien müssen sich vor allem vor Viren, sogenannten Bakteriophagen, in Acht nehmen, die sie befallen und ihnen ihre eigene Phagen-DNA injizieren. Ohne Immunsystem geht die Bakterienzelle langsam daran zugrunde. Allein der Phage kann sich in der verbleibenden Zeit noch vielfach vermehren und anschließend etliche neue Zellen infizieren.

Mithilfe der CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), die nicht auf Antikörpern, sondern auf genetischer Information beruhen, kann sich ein Bakterium zur Wehr setzen. Dies ist eine Art Immungedächtnis, abgespeichert in Form kleiner DNA-Schnipsel, die bei einer Primärinfektion mit einem Virus ins eigene Plasmid eingebaut wurden. Kommt ein Erreger ein zweites Mal, wird das entsprechend hergestellte RNA-Stück innerhalb eines Proteinkomplexes die Phagen-DNA sequenzspezifisch als Angriffsziel erkennen, und beteiligte Enzyme zerschneiden die virulente Information, bevor sie Schaden anrichten kann. In jedem CRISPR-System sind Hunderte solcher Phagen-Gedächtnisschnipsel integriert, die durch Zellteilung über Tausende von Jahren an die Tochterzellen weitergegeben werden.

Aufgrund der von Fachleuten geschätzten gewaltigen Zahl von weit über einer Trilliarde existierender Phagen, lastet ein enormer Selektionsdruck auf den Bakterien. „Synechocystis wird seit 1969 im Labor kultiviert und obwohl seine Gene nie mit Phagen konfrontiert wurden, blieb die Funktion seines Immunsystems über die ganzen Jahre unverändert aktiv“, erzählt Hess, „erklären können wir das inzwischen mit dem Toxin-Antitoxin-System.“

Cyanobakterien boomen

Kopfmann fand im Rahmen seiner Forschung gleich sieben solcher Plasmid-Sicherungssysteme. „Das zeigt, wie wichtig dieses extrachromosomale Plasmid ist“, so der Wissenschaftler. Eines davon ist VAP-B/C (Virulenz Associated Protein), wobei B das Antitoxin für eine RNA-Interferase (C) ist, die - wird sie nicht gehemmt – die RNA abbaut und so das Bakterium in den Tod schickt.

Auf medizinischer Ebene gibt es folglich viele interessante Ansatzpunkte, wie man Bakterien bekämpfen kann. „Wenn man einen Wirkstoff hat, der das Antitoxin hemmt, dann hat man einen Mechanismus, bei dem sich die Bakterienzelle selbst umbringt“, sagt Hess, „das ist natürlich sehr elegant.“

Auch das kommerzielle Interesse an Cyanobakterien ist in den letzten Jahren rasant gestiegen. Wie erst kürzlich bekannt wurde, besitzen die kleinen blaugrünen Cyonabakterien eine eigene Alkoholdehydrogenase und damit die Fähigkeit, beispielsweise Ethanol herzustellen. Hiermit erschließt sich eine neue Art von Biotechnologie mit großer ökologischer Relevanz. „Cyanobakterien können nutzbar gemacht werden, um auf direktem Weg Sonnenenergie in Biokraftstoffe umzuwandeln. Das wäre günstiger, verlangt einen viel geringeren Energieeinsatz und steht nicht in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion“, sagt Hess.

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