Die lokale Umgebung einer Mikrobe kann über Leben und Tod entscheiden

Die mikrobielle Welt prägt im Wesentlichen jeden Aspekt unseres Lebens. Ob sie sich in den Böden befinden, auf denen unsere Nahrung angebaut wird, oder in den Lungen einer Person mit einer Infektion oder auf dem Grund des Ozeans, Mikroben leben in verschiedenen Gemeinschaften, die aus mehreren Arten bestehen, die alle zusammenarbeiten und sich gegenseitig beeinflussen. Genau wie in unseren eigenen Nachbarschaften beeinflusst die Geografie, wie eine mikrobielle Gemeinschaft angelegt ist, wie diese Mikroben zusammenleben und funktionieren.

Jetzt haben Caltech-Forscher entdeckt, dass Änderungen der lokalen Sauerstoffkonzentration drastische Auswirkungen darauf haben, ob mikrobielle Nachbarn in Gegenwart eines gemeinsamen mikrobiellen Nebenprodukts, Stickoxid (NO), leben oder sterben. Die Ergebnisse legen nahe, dass großmaßstäbliche globale Modelle wie die des Stickstoffkreislaufs darauf hinarbeiten sollten, die Tatsache darzustellen, dass chemische Umgebungen im Mikromaßstab das mikrobielle Verhalten beeinflussen.

Ein Artikel, der die Forschung beschreibt, erscheint in der Zeitschrift Aktuelle Biologie am 27. Oktober. Die Studie wurde von Doktorand Steven Wilbert geleitet und im Labor von Dianne Newman, Gordon M. Binder/Amgen Professorin für Biologie und Geobiologie und Executive Officer für Biologie und Bioingenieurwesen, durchgeführt.

Stickoxid entsteht als Zwischenprodukt im mehrstufigen Prozess der Umwandlung von Nitrat (NO3-) in Stickstoffgas (N2). Dieser gesamte Prozess, Denitrifikation genannt, ist ein entscheidender Teil biologischer Prozesse auf der ganzen Welt. Jüngste Forschungen haben gezeigt, dass verschiedene Schritte in diesem Weg von verschiedenen Mitgliedern verschiedener mikrobieller Gemeinschaften durchgeführt werden können.

Um zu untersuchen, wie sich die lokale Umgebung einer Mikrobe auf ihre Fähigkeit zur Durchführung des Denitrifikationsprozesses auswirkt, verwendete Wilbert Pseudomonas aeruginosa, ein Bakterium, das im Newman-Labor ausführlich untersucht wurde, als Modellorganismus. Unter Verwendung gentechnischer Techniken produzierte Wilbert einen Stamm, der nur die erste Hälfte des Denitrifikationsweges durchführte, und einen anderen Stamm, der nur die zweite Hälfte des Weges durchführte.

Dann untersuchte Wilbert, wie diese beiden gentechnisch veränderten Bakterienstämme unter verschiedenen Sauerstoffumgebungen interagieren. Die Idee war, dass der Stamm der „ersten Hälfte“ NO als Nebenprodukt produziert, und das Team wollte herausfinden, wie der Stamm der „zweiten Hälfte“ mit NO unter unterschiedlichen lokalen Sauerstoffkonzentrationen umgehen würde und wie sich dies wiederum auswirken würde die gesamte Gemeinde.

Die Studie zeigte, dass der zweite gentechnisch veränderte Pseudomonas-Stamm in Abwesenheit von Sauerstoff in der Lage war, das vom ersten produzierte NO aufzunehmen und diese Chemikalie als Teil des normalen Denitrifikationsprozesses chemisch zu verändern oder zu reduzieren. Außerdem konnten die Bakterien NO als Substrat verwenden, auf dem sie wachsen konnten. In einer Umgebung mit höheren Sauerstoffkonzentrationen wurde NO jedoch giftig und tötete Pseudomonas-Stämme, die das Molekül nicht reduzieren konnten.

„Sauerstoff verändert diese mikrobiellen Wechselwirkungen auf dramatische Weise: Sie können dadurch entweder leben oder sterben“, sagt Newman. „Das wirkt sich wiederum auf den gesamten Denitrifikationsprozess aus. Modelle, die versuchen zu berücksichtigen, wie Mikroorganismen zum Stickstoffkreislauf beitragen, müssen daher mit der mikroskopischen räumlichen Umgebung rechnen. Das ist eine wirklich wichtige Größe.“

Während die Studie die Besonderheiten aufzeigte, wie Sauerstoff zelluläre Wechselwirkungen mit NO vermittelt, weist die Forschung auch auf allgemeinere Prinzipien über eine breite Klasse von mikrobiellen Nebenprodukten hin. NO ist ein Beispiel für einen „redoxaktiven Metaboliten“ oder RAM. Diese Studie bietet einen neuen Weg, um zu untersuchen, wie die Auswirkungen von RAMs auf Mikroben von ihrer lokalen Mikroumgebung beeinflusst werden, die räumlich und zeitlich sehr variabel sein kann.

„Der mikrobielle Stoffwechsel ist wie ein Wettlauf um das Aufnehmen und Abgeben von Elektronen“, erklärt Wilbert. „Im Wesentlichen dreht sich alles Leben um diese Energieübertragung. RAMs dienen mit ihrer Fähigkeit, Elektronen abzugeben oder zu empfangen, als wichtige Währung zwischen mikrobiellen Nachbarn. Während dies die Energieübertragung erleichtern kann, reagieren RAMs empfindlich auf Änderungen der lokalen Sauerstoffkonzentrationen, die variieren Raum und Zeit Aufgrund unserer Ergebnisse mit NO sind wir überzeugt, dass Sauerstoff der Schlüssel zu einem klareren Bild dessen ist, was in den unsichtbaren Böden, den Ozeanen und überall dort passiert, wo mikrobielle Wechselwirkungen stattfinden können, wenn wir verstehen, wie Sauerstoff ist Veränderungen in der mikroskaligen Umgebung können wir bessere Vorhersagen darüber treffen, wie mikrobielle Gemeinschaften in der Lunge oder in landwirtschaftlichen Systemen überleben.“

Das Papier trägt den Titel „Die gegensätzlichen Rollen von Stickstoffmonoxid treiben die Organisation der mikrobiellen Gemeinschaft als Funktion der Sauerstoffpräsenz an“.