Entdeckung verborgener pH-Sensorfähigkeiten in mikrobiellen Kulturen

In einer von Dr. Sarah Worthan, einer Postdoktorandin im Behringer Lab der Vanderbilt University, geleiteten Studie ist es Wissenschaftlern gelungen, mikrobielle Kulturen zu entwickeln, die über die Fähigkeit verfügen, pH-Änderungen zu erkennen und so schnell auf Umweltschwankungen reagieren können.

Diese Entdeckung unterstrich nicht nur die Leistungsfähigkeit der im Labor ermöglichten Evolution, sondern führte auch dazu, dass man in der Natur ähnliche Mutationen bei neu auftretenden Krankheitserregern und Korallensymbionten fand – Organismen, die mit schwierigen pH-Wert-Veränderungen in ihrer Umgebung zurechtkommen und auf andere Weise schwer zu untersuchen sind.

Die neue Arbeit mit dem Titel „Evolution of pH-sensitive transcription termination in Escherichia coli during adaptation to repeated long-term hungervation“ wurde veröffentlicht im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften am 19. September 2024. Das wichtigste Ergebnis dieser Arbeit ist die Entdeckung einer Mutation in den unabhängig entwickelten Bakterienpopulationen, die auftritt, wenn die Bakterien Zyklen von Überfluss und Mangel ausgesetzt sind.

Laut dem Artikel trat diese Mutation, bei der eine Arginin-Aminosäure durch ein Histidin ersetzt wird, beim Rho-Protein auf, das an der Beendigung der RNA-Transkription beteiligt ist. Mutationen von Arginin zu Histidin wurden auch bei Krebserkrankungen beobachtet und verleihen onkogenen Proteinen nachweislich eine adaptive Fähigkeit zur pH-Erkennung. Bei Bakterien können diese Mutationen von Arginin zu Histidin den pH-Wert erkennen und die Aktivität des Rho-Proteins verändern, um schnell Einfluss auf die Genexpression zu nehmen.

Im Labor entwickelt

Co-Autor Benjamin Bratton, Ph.D., Assistenzprofessor für Pathologie, Mikrobiologie und Immunologie am VU Medical Center, leitete die Bildgebung für die Laborexperimente und die Analyse der pH-Tests, während Co-Autor Marc Boudvillain, Ph.D., CNRS-Forschungsleiter am Centre de Biophysique Moléculaire in Orléans, Frankreich und ausgebildeter Chemiker, biochemische Experimente leitete, die Rhos veränderte Aktivität in verschiedenen pH-Umgebungen demonstrierten.

Megan Behringer, Ph.D., Assistenzprofessorin für Biowissenschaften und leitende Forscherin der Studie, erklärte: „Diese Mutation in Rho trat in unseren Evolutionskulturen im Labor wiederholt auf. Wir untersuchten viele Phänotypen und hatten Mühe, die spezifischen Auswirkungen der Rho-Mutation zu identifizieren. Dann wandten wir uns an Marc und er fragte uns, ob wir bedacht hätten, dass die Auswirkungen je nach pH-Wert variieren könnten.“

„Dann haben wir unsere genomischen Daten noch einmal überprüft und festgestellt, dass jede Mutation in Rho gleichzeitig mit einer Mutation in einem Gen namens ‚ydcI‘ auftrat. Über dieses Gen ist nicht viel bekannt, aber jüngste Studien haben gezeigt, dass es eine Rolle bei der pH-Homöostase spielen könnte. Marc bot an, unser Rho-Protein in vitro auf pH zu untersuchen, und als er und [co-author] Als Mildred mit den Ergebnissen zurückkam, begannen wir, die ganze Geschichte zusammenzusetzen.“

„Dr. Behringer wandte sich einige Wochen nach der Eröffnung meines Labors bei Vanderbilt mit dieser interessanten Beobachtung über den pH-Wert von Lösungen an mich, fragte sich aber, ob es eine Möglichkeit gäbe, den pH-Wert in einzelnen Zellen zu messen“, bemerkte Bratton.

„Die Messung der Physiologie einzelner Bakterienzellen ist eine der wichtigsten Fähigkeiten des Bratton-Labors, daher war diese Zusammenarbeit großartig. Obwohl Bakterien über ihre extrazelluläre Umgebung miteinander interagieren, haben einzelne Zellen eine gewisse Kontrolle über ihre intrazelluläre Umgebung.“

Boudvillain fügte hinzu: „Wir haben gerne die biochemischen Experimente beigesteuert, die zeigen, dass die Arg-zu-His-Mutation in vitro tatsächlich die Rho-Aktivität pH-abhängig reguliert.“

In der Natur gefunden

Nach den Laborexperimenten machte sich das Team dann auf die Suche nach diesen Mutationen in natürlichen Systemen.

Behringer zufolge „fanden wir es in diesem vernachlässigten Erreger, Bartonella baciliformis, der in den Andentälern Südamerikas Aaskrankheit verursacht. Es war bereits bekannt, dass diese Bakterienart einen pH-Wert wahrnimmt, da sie sich nach der Übertragung durch ihren Vektor Sandmücke schnell vom hohen pH-Wert des Insektendarms auf den neutralen pH-Wert des menschlichen Blutes anpassen muss.“

Diese Ergebnisse haben auch Auswirkungen auf die Welt der Meeresschwämme. Der Studie zufolge bildet der pH-Wert des Ozeans in bestimmten Bereichen Gradienten, beispielsweise in hydrothermalen Quellen oder im Inneren von Schwammkörpern. Mikroorganismen, die in und um diese Bereiche leben, müssen sich schnell an beide Umgebungen anpassen können. Ihre weiterentwickelte Genexpression ermöglicht diesen Übergang; der Klimawandel könnte diese Dynamik jedoch auf gravierende Weise verändern.

„Wenn der pH-Wert des Ozeans sich mehr dem pH-Wert der Schwämme annähert, kann das die Bakterien und ihre Symbionten gefährden“, sagte Behringer. „Die Bakterien könnten den Umweltreiz verlieren, der das richtige Verhalten für ihre aktuelle Umgebung auslöst.“

Boudvillain sagte, dass diese Zusammenarbeit eher durch einen glücklichen Zufall begann. Behringer wandte sich zunächst an Boudvillain, um eine zusätzliche Figur zu sehen, die von einer Website verschwunden war. Als sie sich miteinander in Verbindung setzten, stellten die beiden fest, dass ihre Forschungsrichtungen gut zusammenpassten.

„Ich habe mich sehr gefreut, an dieser interdisziplinären Arbeit teilzunehmen. Ich habe viel von Ben, Sarah und Megan gelernt“, sagte er. „Es war mir eine große Freude und Gelegenheit, mit diesen jungen und dynamischen Kollegen zusammenzuarbeiten.“