Forscherteam untersucht die raupenartigen Bakterien, die in unserem Mund kriechen

Bakterien, die wahrscheinlich in der Mundhöhle überleben, haben sich so entwickelt, dass sie sich entlang ihrer Längsachse teilen, ohne sich voneinander zu trennen. Ein Forschungsteam unter der gemeinsamen Leitung der Umweltzellbiologin Silvia Bulgheresi von der Universität Wien und des Mikrobengenetikers Frédéric Veyrier vom Institut national de la recherche scientifique (INRS) hat soeben seine neuen Erkenntnisse in veröffentlicht Naturkommunikation. In ihrer Arbeit beschrieben sie den Teilungsmodus dieser raupenartigen Bakterien und ihre Evolution aus einem stäbchenförmigen Vorfahren. Sie schlagen vor, orale Neisseriaceae-Bakterien als neue Modellorganismen zu etablieren, die dabei helfen könnten, neue antimikrobielle Ziele zu identifizieren.

Obwohl unser Mund über 700 Bakterienarten beherbergt und seine Mikrobiota so vielfältig ist wie die unseres Darms, ist nicht viel darüber bekannt, wie orale Bakterien wachsen und sich teilen. Der Mund ist ein schwieriger Lebensraum für Bakterien. Die Epithelzellen, die die innere Oberfläche der Mundhöhle auskleiden, werden ständig abgestoßen, und zusammen mit dem Speichelfluss kämpfen Organismen, die diese Oberfläche bewohnen, daher um die Anhaftung.

Es ist möglich, dass Bakterien der Familie Neisseriaceae eine neue Art der Vermehrung entwickelt haben, um besser an unserem Mund zu haften. Während sich typische Stäbchen quer spalten und dann voneinander lösen, heften sich einige kommensale Neisseriaceae, die in unserem Mund leben, jedoch mit ihren Spitzen an das Substrat und teilen sich längs – entlang ihrer Längsachse. Darüber hinaus bleiben sie nach Abschluss der Zellteilung aneinander haften und bilden raupenartige Filamente. Einige Zellen im resultierenden Filament nehmen auch unterschiedliche Formen an, möglicherweise um bestimmte Funktionen zum Nutzen des gesamten Filaments auszuführen. „Die Vielzelligkeit ermöglicht die Kooperation zwischen Zellen, beispielsweise in Form von Arbeitsteilung, und kann so Bakterien helfen, Ernährungsstress zu überstehen“, erklären die Forscher.

Das Forscherteam setzte zunächst Elektronenmikroskopie ein, um in der Familie der Neisseriaceae bakterielle Zellformen zu untersuchen, die zusätzlich zu den raupenartigen Filamenten die beiden Standardzellformen (Stäbchen und Kokken) umfassen. Durch den Vergleich ihrer Zellformen und Genome in der gesamten Familie der Neisseriaceae konnten die Forscher schließen, dass sich die vielzelligen, sich längs teilenden Bakterien aus stäbchenförmigen, sich quer teilenden Bakterien entwickelt haben. Außerdem konnten sie feststellen, welche Gene wahrscheinlich für die ungewöhnliche Vermehrungsstrategie verantwortlich waren.

Anschließend nutzten sie Fluoreszenzmarkierungstechniken, um das Fortschreiten des Zellwachstums in den vielzelligen Bakterien sichtbar zu machen, und verglichen schließlich deren genetische Ausstattung mit „klassischen“ stäbchenförmigen Arten. Schließlich versuchten sie, diese Evolution nachzubilden, indem sie die genetischen Veränderungen in stäbchenförmige Neisseriaceae einführten. Obwohl sie stäbchenförmige Bakterien nicht dazu zwingen konnten, vielzellig zu werden, führte genetische Manipulation zu längeren und dünneren Zellen. „Wir vermuten, dass sich im Laufe der Evolution durch eine Überarbeitung der Dehnungs- und Teilungsprozesse die Zellform verändert hat, vielleicht um in der Mundhöhle besser zu gedeihen“, sagt Frédéric Veyrier.

„Abgesehen davon, dass sie uns helfen zu verstehen, wie sich die Zellform entwickelt hat, können mehrzellige Neisseriaceae nützlich sein, um zu untersuchen, wie Bakterien gelernt haben, an der Oberfläche von Tieren angeheftet zu leben, dem einzigen Ort, an dem sie bisher gefunden wurden. Die Hälfte von uns trägt sie hinein unseren Mund übrigens“, erklärt Silvia Bulgheresi vom Institut für Funktionelle und Evolutionäre Ökologie der Universität Wien.

Philipp Weber von der Universität Wien, Ph.D., ein Student in Bulgheresis Team, der auch an der Studie mitgearbeitet hat, betont jedoch, dass „die Erweiterung des Feldes der Zellbiologie auf zusätzliche Morphologien und symbiotische Arten auch entscheidend ist, um den Proteinpool zu vergrößern Targets (z. B. antibiotische Targets) für biopharmazeutische Anwendungen.“

Sammy Nyongesa, ein Ph.D. Student in Veyriers Team vom INRS, fügt hinzu: „Ein evolutionärer Ansatz, wie er hier für die Neisseriaceae verfolgt wird, kann Licht auf neue, unvorhergesehene Proteinziele werfen.“