Das ungewöhnliche Waffenarsenal eines räuberischen Meeresbakteriums

Unzählige Bakterien sind in den Weiten der Ozeane zu Hause und alle stehen vor dem gleichen Problem: Die Nährstoffe, die sie zum Wachsen und Vermehren benötigen, sind knapp und in den Gewässern um sie herum ungleichmäßig verteilt. Mancherorts gibt es sie in Hülle und Fülle, an manchen Orten fehlt es jedoch kläglich daran. Dies hat dazu geführt, dass sich einige Bakterien zu effizienten Jägern entwickelt haben, um neue Nahrungsquellen in Form anderer Mikroorganismen zu erschließen.

Obwohl diese Strategie sehr erfolgreich ist, haben Forscher bisher nur wenige räuberische Bakterienarten gefunden. Eines davon ist das Bodenbakterium Myxococcus xanthus; Ein anderer ist Vampirococcus, der seine Beute wie ein Vampir aussaugt.

In einer neuen Studie haben Forschende der ETH Zürich um Martin Pilhofer, Professor am Departement Biologie, zusammen mit seinen Kollegen Yun-Wei Lien und Gregor Weiss nun einen weiteren dieser seltenen bakteriellen Räuber vorgestellt: das filamentöse Meeresbakterium Aureispira. Das Papier ist veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaft.

Zu den molekularen Strukturen, die die Forscher in Aureispira identifiziert haben, gehören solche, die Enterhaken ähneln und einem ähnlichen Zweck dienen. Das Bakterium verfügt außerdem über eine Art Bolzenschussgerät, mit dem es seine Beute tötet.

Wie ein Piratenschiff auf der Suche nach einem potenziellen Opfer gleitet Aureispira schnell über feste Oberflächen auf seine Beute, beispielsweise Vibrio-Bakterien, zu. Wenn der Angreifer selbst frei im Wasser schwimmt, wartet er darauf, dass sich seine Beute nähert. Sobald es zu engem Kontakt kommt, verfangen sich die Enterhaken in den Geißeln des Opfers und dieses kann nicht mehr entkommen.

Innerhalb von Sekunden feuert Aureispira seine Bordkanonen ab, um Löcher in die Membran des Vibrio-Bakteriums zu schlagen. In Zusammenarbeit mit dem Labor von ETH-Professor Roman Stocker konnten die Forscher zeigen, dass die aus dem Opfer austretenden Zellbestandteile vom Raubtier schnell als Nahrung aufgenommen werden. „Die ganze Szene ähnelt einem Piratenüberfall auf ein anderes Schiff“, sagt Pilhofer.

Erst wenn die Nährstoffkonzentration in seiner Umgebung niedrig ist, wird Aureispira räuberisch. Solange die Versorgung mit Nährstoffen ausreicht, verzichtet das Piratenbakterium auf den Fang von Beutetieren und fährt mit seinem Waffenarsenal zurück. Eine Diät des Bakteriums weckt jedoch dessen Jagdlust und führt dazu, dass die Zelle die Kanonen und Enterhaken neu aufbaut. Wissenschaftler nennen diesen selektiv räuberischen Lebensstil Ixotrophie.

Gemeinsam mit der Gruppe von Martin Polz an der Universität Wien konnten die Forscher zudem Hinweise darauf finden, dass dieser räuberische Lebensstil nicht nur im Labor, sondern tatsächlich in Meeresproben vorkommt.

Neue Bilder offenbaren Details

Die Forscher nutzten mehrere bildgebende Verfahren, darunter Lichtmikroskopie und Kryo-Elektronenmikroskopie, um die Funktion und molekulare Struktur der Enterhaken und Kanonen zu verstehen.

Diese Methode ermöglichte es, molekulare Strukturen artefaktfrei und in ihrem zellulären Kontext zu konservieren und zu analysieren. Mit einer erweiterten Version der Methode ist es sogar möglich, die molekulare Struktur der Proteine ​​zu bestimmen, aus denen die Waffen des Bakteriums bestehen.

„Alle diese bildgebenden Verfahren stehen im ScopeM-Kompetenzzentrum der ETH Zürich zur Verfügung, was diese Studie überhaupt erst ermöglicht hat“, sagt Weiss.

Wofür sind die Erkenntnisse gut? „Das ist in erster Linie Grundlagenforschung, die von unserer Neugier getragen wird“, sagt Pilhofer. Er und sein Kollege Weiss arbeiten seit zehn Jahren an der Aufklärung kontraktiler Injektionssysteme – so heißen die Bordkanonen der Piratenbakterien.

Auch bei anderen Raubbakterien werden kontraktile Injektionssysteme häufig mit Giftstoffen beladen, um die Beute sofort zu töten. Es ist denkbar, dass solche Bakterien-Bolzenpistolen mithilfe einer molekularen Maschine mit Wirkstoffen beladen und in einzelne Zellen injiziert werden.

Es ist bekannt, dass bestimmte räuberische Bakterien Cyanobakterien oder Blaualgen jagen. Das heißt, sie könnten zur Bekämpfung von Algenblüten oder zur Eindämmung der Massenvermehrung von Vibrio-Bakterien eingesetzt werden. „Diese bakteriellen Räuber sind bei ihrer Arbeit sehr effizient“, sagt Weiss.