Ein internationales Forscherteam des Exzellenzclusters „Balance of the Microverse“ der Universität Jena hat den Mechanismus untersucht, der einige Bakterienarten dazu bringt, Licht zu reflektieren, ohne dass Pigmente zum Einsatz kommen. Die Forscher interessierten sich für die dafür verantwortlichen Gene und entdeckten wichtige ökologische Zusammenhänge. Ihre Ergebnisse erscheinen im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Die schillernden Farben, die man von Pfauenfedern oder Schmetterlingsflügeln kennt, entstehen durch winzige Strukturen, die das Licht auf besondere Weise reflektieren. Auch manche Bakterienkolonien bilden ähnlich glitzernde Strukturen.
In Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, dem Leibniz-Institut DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen, der Universität Utrecht, der Universität Cambridge und dem Niederländischen Institut für Meeresforschung sequenzierten die Wissenschaftler die DNA von 87 strukturell gefärbten Bakterienstämmen und 30 farblosen Stämmen und identifizierten Gene, die für diese faszinierenden Kolonien verantwortlich sind. Diese Erkenntnisse könnten zur Entwicklung umweltfreundlicher Farbstoffe und Materialien führen, ein Hauptinteresse des kooperierenden Biotechnologieunternehmens Hoekmine BV.
Vorhersagen mit künstlicher Intelligenz
Die Forscher trainierten ein künstliches Intelligenzmodell, um auf der Grundlage ihrer DNA vorherzusagen, welche Bakterien schillernde Farben produzieren.
„Mit diesem Modell haben wir über 250.000 Bakteriengenome und 14.000 Umweltproben aus internationalen Open-Science-Repositorien analysiert“, sagt Prof. Bas E. Dutilh, Professor für Virale Ökologie an der Universität Jena und Forscher im Exzellenzcluster „Balance of the Microverse“.
„Wir haben herausgefunden, dass die Gene, die für die Strukturfarbe verantwortlich sind, hauptsächlich in Ozeanen, Süßwasser und speziellen Lebensräumen wie Gezeitenzonen und Tiefseegebieten vorkommen. Im Gegensatz dazu wiesen Mikroben in wirtsgebundenen Lebensräumen wie dem menschlichen Mikrobiom nur eine sehr begrenzte Strukturfarbe auf“, fährt Prof. Dutilh fort.
Die Ergebnisse der Studie deuten darauf hin, dass die farbenfrohen Bakterienkoloniestrukturen nicht nur dazu dienen, Licht zu reflektieren. Überraschenderweise finden sich diese Gene auch bei Bakterien, die in tiefen Ozeanen ohne Sonnenlicht leben. Dies könnte bedeuten, dass die Farben tiefere Prozesse der Zellorganisation mit wichtigen Funktionen widerspiegeln könnten, wie etwa den Schutz der Bakterien vor Viren oder die effiziente Besiedlung schwimmender Nahrungspartikel. Diese Erkenntnisse könnten neue, nachhaltige Technologien auf Basis dieser natürlichen Strukturen inspirieren.
Mehr Informationen:
Colin J. Ingham et al, Strukturelle Farbe im bakteriellen Bereich: Die Ökogenomik eines zweidimensionalen optischen Phänotyps, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2309757121