Bakterien navigieren mittels «Tastsinns» auf Oberflächen

Viele krankheitsverursachende Bakterien, wie z.B. Pseudomonas aeruginosa, krabbeln mithilfe schrittähnlicher Motilität, die als «Zucken» bezeichnet wird, auf Oberflächen. Man weiss, dass nanometergrosse Filamente, Typ-IV-Pili genannt, die Zuckungen auslösen, aber der Wissenschaft ist bisher nicht klar, welche sensorischen Signale die Bewegungen der Mikroben koordinieren.

Jetzt haben Forschende der EPFL herausgefunden, dass Pseudomonas-Bakterien einen unserem Tastsinn vergleichbaren Mechanismus nutzen, um auf Oberflächen zu navigieren. «Die Studie verändert die Art und Weise, wie wir über die Motilität von Bakterien denken», sagte der Hauptautor Alexandre Persat, Tenure Track Assistant Professor an der Fakultät für Life Sciences der EPFL.

Laut Persat war den Wissenschaftlern bereits bekannt, dass Zellen von Menschen und anderen Tieren sich selbst in Richtung steifer oder lockerer Oberflächen lenken können, unklar war aber bisher, ob Bakterien ihre Bewegung auch auf der Grundlage mechanischer Kraft ausrichten können. Dies deshalb, weil sich die meisten Studien auf die Identifizierung von Mechanismen konzentriert haben, die Bakterien dazu veranlassen, auf Chemikalien wie Nahrung zuzuschwimmen, ein Phänomen, das als Chemotaxis bekannt ist.

Die Forschungen im Persat-Labor befassten sich stattdessen damit, wie Bakterien mechanische Kräfte wahrnehmen und darauf reagieren. Frühere Studien haben gezeigt, dass der Pilus des Pseudomonas wie eine Harpune funktioniert: Ist er ausgefahren und berührt eine Oberfläche, setzt er einen molekularen Motor in Gang, der das Filament zurückzieht und so die Zelle vorwärtstreibt.

Um die Koordination hinter den Pili-Motoren zu finden, untersuchten die Forschenden der Persat-Gruppe und ihre Kollegen an der University of California, San Francisco, wie sich einzelne Pseudomonas-Bakterien auf Oberflächen wie dem Boden einer Laborschale bewegen. Das Team vermutete, dass ein Netzwerk von Proteinen, genannt Chp-System, die Zuckungen reguliert. Deshalb analysierten sie Bakterien, denen verschiedene Komponenten des Chp-Systems fehlten. Einige dieser mutierten Bakterien waren kaum in der Lage, sich zu bewegen, da sie ständig hin und her zuckten. Andere wiederum bewegten sich immer vorwärts, selbst wenn sie auf ein Hindernis stiessen.

Durch die Kombination von fluoreszierenden Markierungen mit einer Mikroskopietechnik, mit welcher einzelne Pili in lebenden Zellen untersucht werden können, fanden die Forschenden heraus, dass ein Botenprotein die Pili dazu anregt, sich auszubreiten und die Zelle vorwärts zu treiben, während ein anderes Protein die Bildung von Pili an der Vorderseite der sich bewegenden Zelle hemmt. Die beiden gegensätzlichen Botenstoffe befinden sich nicht am gleichen Ort innerhalb der Zelle. «Der Aktivator befindet sich an der Vorderseite, wo die Zelle mit ihren Pili die Oberfläche abtastet, während der Inhibitor überall sonst zu finden ist», sagte Studien-Co-Erstautor Marco Kühn.

Die Forschenden fanden heraus, dass, wenn Bakterien auf ein Hindernis wie eine andere Zelle stossen, der Inhibitor ihnen erlaubt, anzuhalten und die Richtung zu ändern. «Auf diese Weise können die Zellen anhand dessen, was sie vor sich wahrnehmen, navigieren – wie ein Blinder, der einen weissen Stock benutzt», erklärte Alexander Persat. Er fügte hinzu, dass die Fähigkeit, die Umgebung zu spüren, nützlich ist, wenn sich Bakterien als Gruppe bewegen. Denn sie hilft den Mikroben, gemeinsam in dieselbe Richtung vorwärts zu kriechen.

Die in PNAS veröffentlichten Ergebnisse geben Aufschluss darüber, wie sich Bakterien bewegen und könnten für die menschliche Gesundheit von grosser Wichtigkeit sein. Pseudomonas aeruginosa, ein opportunistischer Erreger, der häufig im Boden vorkommt, ist eine der Hauptursachen für Spitalinfektionen. Aggregate von Pseudomonas-Bakterien bilden sich typischerweise auf Oberflächen wie Kathetern und Beatmungsgeräten und können extrem resistent gegen Desinfektionsmittel und antimikrobielle Medikamente sein.

Darüber hinaus haben frühere Forschungen der Persat-Gruppe gezeigt, dass Pseudomonas seine Pili nutzt, um die Ausschüttung von Toxinen zu regulieren. Laut Persat könnte zusätzliches Wissen über den «Tastsinn» der Mikroben dabei helfen, neue therapeutische Strategien zu entwickeln.

«Als Nächstes wollen die Forschenden herausfinden, wie die Bakterien einen mechanischen Reiz in eine zelluläre Antwort umwandeln», sagte Studien-Co-Erstautor Lorenzo Talà. «Wir würden gerne den molekularen Mechanismus hinter dem Tastsinn der Bakterien verstehen», ergänzte er.