Besseres Leben durch mehrzellige Lebenszyklen

Kooperation ist ein zentraler Bestandteil des Lebens vieler Organismen, von Mikroben bis hin zu komplexen vielzelligen Lebewesen. Es entsteht, wenn Einzelpersonen Ressourcen teilen oder eine Aufgabe so aufteilen, dass jeder einen größeren Nutzen daraus zieht, wenn er gemeinsam handelt, als er es alleine könnte. Zum Beispiel strömen Vögel und Fische in Scharen, um Raubtieren auszuweichen, Schwärme von Schleimpilzen, um nach Nahrung zu suchen und sich zu vermehren, und Bakterien bilden Biofilme, um Stress zu widerstehen.

Einzelpersonen müssen in der gleichen „Nachbarschaft“ leben, um zusammenzuarbeiten. Für Bakterien kann diese Nachbarschaft nur einige zehn Mikrometer klein sein. Aber in Umgebungen wie dem Ozean kommt es selten vor, dass Zellen mit derselben genetischen Ausstattung alleine in derselben Nachbarschaft vorkommen. Und diese Notwendigkeit stellt Wissenschaftler vor ein Rätsel: Wie bauen Bakterien in Umgebungen, in denen das Überleben von Kooperation abhängt, ihre Nachbarschaft auf?

Um dieses Problem zu untersuchen, ließen sich MIT-Professor Otto X. Cordero und seine Kollegen von der Natur inspirieren: Sie entwickelten ein Modellsystem um ein weit verbreitetes Küstenmeerwasserbakterium herum, das Zusammenarbeit erfordert, um Zucker aus Braunalgen zu essen. In dem System wurden zunächst einzelne Zellen zu weit von anderen Zellen entfernt in Meerwasser suspendiert, um zu kooperieren. Um Ressourcen zu teilen und zu wachsen, mussten die Zellen einen Mechanismus finden, um eine Nachbarschaft zu schaffen. „Überraschenderweise war jede Zelle in der Lage, sich zu teilen und ihre eigene Nachbarschaft von Klonen zu schaffen, indem sie dicht gepackte Cluster bildete“, sagt Cordero, außerordentlicher Professor am Institut für Bau- und Umweltingenieurwesen.

Ein neues Papier, veröffentlicht heute in Aktuelle Biologiezeigt, wie ein algenfressendes Bakterium die technische Herausforderung löst, ausgehend von einem einzelligen Zustand eine lokale Zelldichte zu erzeugen.

„Eine Schlüsselentdeckung war die Bedeutung der phänotypischen Heterogenität bei der Unterstützung dieses überraschenden Mechanismus der klonalen Kooperation“, sagt Cordero, Hauptautor der neuen Veröffentlichung.

Mithilfe einer Kombination aus Mikroskopie, Transkriptomik und Markierungsexperimenten zur Profilierung eines zellulären Stoffwechselzustands fanden die Forscher heraus, dass sich Zellen phänotypisch in eine klebrige „Schalen“-Population und einen beweglichen, Kohlenstoff speichernden „Kern“ differenzieren. Die Forscher schlagen vor, dass Schalenzellen die zelluläre Nachbarschaft schaffen, die für die Aufrechterhaltung der Zusammenarbeit erforderlich ist, während Kernzellen Kohlenstoffvorräte anhäufen, die die weitere klonale Reproduktion unterstützen, wenn die vielzellige Struktur aufbricht.

Diese Arbeit befasst sich mit einem Schlüsselelement in der größeren Herausforderung, die bakteriellen Prozesse zu verstehen, die unsere Erde formen, wie z. B. den Kreislauf von Kohlenstoff aus toter organischer Materie zurück in Nahrungsnetze und die Atmosphäre. „Bakterien sind grundsätzlich Einzelzellen, aber was sie in der Natur erreichen, geschieht oft durch Kooperation. Wir müssen noch viel darüber aufdecken, was Bakterien gemeinsam erreichen können und wie sich dies von ihrer Fähigkeit als Individuen unterscheidet“, fügt Cordero hinzu.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website, die Neuigkeiten über MIT-Forschung, -Innovation und -Lehre enthält.