Bakterien machen mehr als 10 % aller Lebewesen aus, aber bis vor kurzem wussten wir kaum, dass Bodenbakterien wie Menschen über innere Uhren verfügen, die ihre Aktivitäten mit den 24-Stunden-Zyklen von Tag und Nacht auf der Erde synchronisieren.
Neue Forschungsergebnisse zeigen, wie komplex und ausgefeilt diese bakteriellen zirkadianen Uhren sind, und ebnen den Weg für eine aufregende neue Phase der Forschung. Diese Arbeit wird vielfältige Möglichkeiten bieten, vom präzisen Timing des Einsatzes von Antibiotika bis hin zur biotechnologischen Entwicklung intelligenterer Darm- und Bodenmikrobiome. „Die zirkadiane Uhr des Bakteriums B. subtilis ruft Eigenschaften komplexer, vielzelliger zirkadianer Systeme hervor“, erscheint in Wissenschaftliche Fortschritte.
Eine internationale Zusammenarbeit der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU München), des John Innes Center, der Technischen Universität Dänemark und der Universität Leiden machte die Entdeckung, indem sie die Genexpression als Beweis für die Uhraktivität im weit verbreiteten Bodenbakterium Bacillus subtilis untersuchte.
Hauptautorin Dr. Francesca Sartor (LMU München) sagt: „Die zirkadiane Uhr dieser Mikrobe ist allgegenwärtig: Wir sehen, dass sie mehrere Gene und eine Reihe unterschiedlicher Verhaltensweisen reguliert.“
Professor Antony Dodd vom John Innes Center fügte hinzu: „Es ist erstaunlich, dass ein einzelliger Organismus mit einem so kleinen Genom eine zirkadiane Uhr mit einigen Eigenschaften hat, die an Uhren in komplexeren Organismen erinnern.“
Frühere Arbeiten dieses Gemeinschaftsteams hatten die Existenz einer zirkadianen Uhr in einem im Labor gewonnenen Stamm dieser Bakterien nachgewiesen. Dies war das erste Mal, dass zirkadiane Uhren im Bakterium Bacillus subtilis beobachtet wurden. Die Forscher verwendeten eine Technik, bei der ein Enzym namens Luciferase eingesetzt wird, das Licht erzeugt, wenn ein Gen exprimiert wird. Diese Biolumineszenz leitete das Team bei der Überwachung der Bakterienuhr bei wechselnden Bedingungen.
Die leitende Autorin der Veröffentlichung, Professorin Martha Merrow von der LMU München, sagte: „Diese Studie zeigt, dass zirkadiane Uhren in Bacillus subtilis weit verbreitet sind. Wir könnten das Wissen über die Uhr nutzen, um die Gesundheitsergebnisse zu verbessern und die Nachhaltigkeit der Lebensmittelproduktion oder Biotechnologie zu erhöhen.“ “
Diese neue Studie ist aus mehreren Gründen ein bedeutender Fortschritt. Es zeigt sich, dass diese Uhren in Stämmen vorkommen, die aus natürlichen Umgebungen stammen, und daher in diesem Bakterium weit verbreitet sein könnten. Darüber hinaus zeigt B. subtilis sowohl bei konstanter Dunkelheit als auch bei konstantem Licht weiterhin zirkadiane Rhythmen, und die Forscher enthüllen Beispiele für differenzierte Reaktionen, die in den zirkadianen Uhren vieler anderer Organismen zu finden sind.
Auf dem Gebiet der zirkadianen Biologie werden diese Reaktionen als „Nachwirkungen“ und „Aschoffs Regel“ bezeichnet. Zusammengenommen deutet dies darauf hin, dass die Bakterien wie bei komplexeren Organismen ihre Physiologie und ihren Stoffwechsel an unterschiedliche Tageszeiten anpassen können, wenn sich Licht- und Temperaturbedingungen ändern.
Die Entdeckung bietet Chancen für Biotechnologie, menschliche Gesundheit und Pflanzenwissenschaften. Das Verständnis der Eigenschaften bakterieller zirkadianer Uhren kann uns bei industriellen Anwendungen der Mikrobiologie helfen; Dies könnte zu einem neuen Verständnis darüber führen, wie Mikrobiome gebildet werden, und könnte Aufschluss darüber geben, wie gut Antibiotika zu bestimmten Tageszeiten wirken, um pathogene Bakterien zu zerstören. Das Wissen kann uns auch beim Pflanzenschutz helfen. Bacillus subtilis ist ein nützliches Bodenbakterium, das von Landwirten verwendet wird, um den Nährstoffaustausch, die Pflanzenentwicklung und die Abwehr pathogener Mikroben zu unterstützen.
Das Team entwickelt Bacillus subtilis als Modellorganismus für die Untersuchung zirkadianer Uhren in Bakterien. Einer der nächsten Schritte besteht darin, herauszufinden, welche Gene den Uhrmechanismus bilden. Das Team ist auch neugierig, wie die zirkadiane Uhr von B. subtilis für ihre volle Funktionalität von der multizellulären Organisation abhängt.
Zirkadiane Uhren sind interne Oszillatoren, die Organismen einen selektiven Vorteil bieten, indem sie ihre Physiologie und ihren Stoffwechsel an 24-Stunden-Änderungen in der Umgebung anpassen, wie z. B. Änderungen des Lichts, der Temperatur oder des Verhaltens von Raubtieren. Sie führen zu den störenden Auswirkungen des Jetlags, wenn wir in verschiedene Zeitzonen wechseln.
Professor Ákos T. Kovács von der Universität Leiden und der Technischen Universität Dänemark sagte: „Der französische Biologe Jacques Monod sagte einmal: „Was für E. coli gilt, gilt auch für den Elefanten.“ Damals bezog er sich auf die universelle Regeln der Molekularbiologie von DNA und Proteinen. „Ebenso ist es erstaunlich, dass die zirkadiane Uhr in Bacillus subtilis – einem Bakterium mit nur viertausend Genen – über ein komplexes zirkadianes System verfügt, das an zirkadiane Uhren in komplexen Organismen wie Fliegen erinnert. Säugetiere und Pflanzen.
Mehr Informationen:
Francesca Sartor et al., Die zirkadiane Uhr des Bakteriums B. subtilis ruft Eigenschaften komplexer, vielzelliger zirkadianer Systeme hervor, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh1308. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh1308