Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Bakterien so etwas wie Erinnerungen darüber erzeugen können, wann sie Strategien entwickeln müssen, die bei Menschen gefährliche Infektionen auslösen können, etwa Resistenzen gegen Antibiotika und Bakterienschwärme, wenn Millionen von Bakterien auf einer einzigen Oberfläche zusammenkommen. Die Entdeckung – die potenzielle Anwendungen zur Vorbeugung und Bekämpfung bakterieller Infektionen und zur Bekämpfung antibiotikaresistenter Bakterien bietet – bezieht sich auf ein gemeinsames chemisches Element, das Bakterienzellen nutzen können, um diese Erinnerungen zu bilden und über spätere Generationen an ihre Nachkommen weiterzugeben.
Forscher der University of Texas in Austin fanden heraus, dass E. coli-Bakterien den Eisenspiegel nutzen, um Informationen über verschiedene Verhaltensweisen zu speichern, die dann als Reaktion auf bestimmte Reize aktiviert werden können.
Die Ergebnisse werden im veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Wissenschaftler hatten zuvor beobachtet, dass Bakterien, die zuvor Schwärmerfahrungen gemacht hatten (die sich als Kollektiv mithilfe von Flagellen auf einer Oberfläche bewegten), die spätere Schwarmleistung verbesserten. Das von der UT geleitete Forschungsteam machte sich daran herauszufinden, warum. Bakterien haben keine Neuronen, Synapsen oder Nervensysteme, daher ähneln Erinnerungen nicht denen an das Ausblasen von Kerzen auf einer Geburtstagsfeier in der Kindheit. Sie ähneln eher Informationen, die auf einem Computer gespeichert sind.
Video eines Bakterienschwarms unter dem Mikroskop. Bildnachweis: Die University of Texas in Austin
„Bakterien haben kein Gehirn, aber sie können Informationen aus ihrer Umgebung sammeln, und wenn sie dieser Umgebung häufig begegnet sind, können sie diese Informationen speichern und später schnell zu ihrem Nutzen darauf zugreifen“, sagte Souvik Bhattacharyya, der Hauptautor und a Provost Early Career Fellow in der Abteilung für Molekulare Biowissenschaften an der UT.
Alles dreht sich um Eisen, eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde. Einzelne und frei schwebende Bakterien weisen unterschiedliche Eisengehalte auf. Wissenschaftler beobachteten, dass Bakterienzellen mit einem geringeren Eisengehalt bessere Schwärmer waren. Im Gegensatz dazu hatten Bakterien, die Biofilme bildeten, dichte, klebrige Bakterienmatten auf festen Oberflächen, einen hohen Eisengehalt in ihren Zellen. Auch Bakterien mit Antibiotikatoleranz hatten einen ausgeglichenen Eisenspiegel. Diese eisernen Erinnerungen bleiben mindestens vier Generationen bestehen und verschwinden in der siebten Generation.
„Bevor es Sauerstoff in der Erdatmosphäre gab, nutzte das frühe zelluläre Leben Eisen für viele zelluläre Prozesse. Eisen ist nicht nur für die Entstehung des Lebens auf der Erde von entscheidender Bedeutung, sondern auch für die Entwicklung des Lebens“, sagte Bhattacharyya. „Es macht Sinn, dass Zellen es auf diese Weise nutzen.“
Forscher gehen davon aus, dass bei einem niedrigen Eisenspiegel bakterielle Erinnerungen ausgelöst werden, die einen sich schnell bewegenden Schwarm bilden, der in der Umgebung nach Eisen sucht. Wenn der Eisengehalt hoch ist, deuten Erinnerungen darauf hin, dass diese Umgebung ein guter Ort zum Verweilen und zur Bildung eines Biofilms ist.
„Eisenspiegel sind definitiv ein Ziel für Therapeutika, da Eisen ein wichtiger Faktor für die Virulenz ist“, sagte Bhattacharyya. „Letztendlich gilt: Je mehr wir über das Verhalten von Bakterien wissen, desto einfacher ist es, sie zu bekämpfen.“
Mehr Informationen:
Souvik Bhattacharyya et al, Ein vererbbares Eisengedächtnis ermöglicht die Entscheidungsfindung in Escherichia coli, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2309082120