Wie überleben Bakterien eine Virusepidemie ohne soziale Distanzierung?

So wie Menschen darum kämpfen, die COVID-19-Pandemie zu überstehen, brauchen Bakterienzellen soziale Distanz, um Viren abzuwehren. Aber in manchen Situationen, etwa in Aufzügen oder innerhalb der bonbonfarbenen Bakterienstrukturen, die als „rosa Beeren“ bekannt sind, ist es einfach nicht möglich, voneinander getrennt zu bleiben.

Die gemeinschaftlichen, vielzelligen rosa Beeren sehen aus wie verschüttete Nerds oder Pop Rocks und liegen auf der untergetauchten Oberfläche der Salzwiesen in und um Woods Hole.

Neue am Marine Biological Laboratory (MBL) durchgeführte Forschungsergebnisse liefern Hinweise darauf, dass ein genetischer Mechanismus den beerenbildenden Bakterien – und anderen wie ihnen – dabei helfen könnte, sich vor Krankheiten zu schützen. Die Studie, veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenhat auch Auswirkungen auf das Verständnis der Entwicklung einzelliger Organismen wie Bakterien zu komplexen mehrzelligen Organismen, einschließlich des Menschen.

„Es erzählt uns von den Herausforderungen, denen wir damals gegenüberstanden, als wir noch kleine Zellkügelchen waren“, sagt Lizzy Wilbanks, MBL Whitman Fellow und Mikrobiologin an der University of California, Santa Barbara. „Wenn man mehrzellige Strukturen bildet, muss man einige ziemlich ausgefallene Immunabwehrsysteme entwickeln, um am Leben zu bleiben.“

Geheimnisvolle, mutationserzeugende Systeme

Wilbanks begegnete den rosa Beeren zum ersten Mal als Doktorand im MBL-Kurs „Microbial Diversity“. Diese kugelförmigen Aggregate gehören zu den Strukturen, die Bakterien bilden, wenn genetisch ähnliche Individuen eng zusammensitzen und ihre Aktivität koordinieren. Die rosafarbenen Beeren werden von einer Bakterienart namens Thiohalocapsa PSB1 besiedelt, die sich von Schwefel und Licht sowie einer relativ kleinen Anzahl anderer symbiotischer Bakterien ernährt.

Durch die Zusammenarbeit bilden diese Zellen sauerstofffreie Taschen, die sie vergiften könnten, und erreichen das nötige Gewicht, um sich sicher in ihrem idealen Lebensraum niederzulassen.

Wie alle Organismen laufen diese kooperativen Mikroben Gefahr, sich mit Viren aus ihrer Umgebung anzustecken. Rosa Beeren und andere vielzellige Bakterien haben ein erhöhtes Schutzbedürfnis, da sie – wie wir – aus genetisch ähnlichen Zellen bestehen, die eng aneinander gepackt sind und keine soziale Distanzierung möglich ist.

„Es ist ein perfekter Cocktail für eine Epidemie, die alles auslöscht“, sagt Wilbanks.

Durch ihren Mitarbeiter Blair Paul, Assistenzwissenschaftler am MBL, erfuhr Wilbanks von einem ungewöhnlichen genetischen Mechanismus, der in Thiohalocapsa häufig vorkommt. Dieses als Diversität erzeugende Retroelemente (DGRs) bekannte System enthält DNA-Abschnitte, die durch einen fehleranfälligen Prozess in RNA und zurück in DNA transkribiert und dann zur Mutation in ein Zielgen eingefügt werden.

Auf diese Weise führen DGRs viele neue genetische Variationen, das Rohmaterial für die Anpassung, an bestimmten Stellen im Genom ein. Wissenschaftler haben diese Systeme in Viren, Bakterien und anderen Mikroben namens Archaeen gefunden, verstehen jedoch nicht vollständig, wie die Mikroben sie nutzen.

Wilbanks und Hugo Doré, damals Postdoktorand in ihrem Labor und Erstautor der Studie, begannen zu diskutieren, was DGRs für Thiohalocapsa bewirken könnten. Durch ihre Forschung erfuhren sie, dass die Zielgene der DGRs Komponenten enthalten, die mit denen im Immunsystem vielzelliger Organismen, darunter Menschen, Pflanzen und sogar einige Pilze, verwandt sind.

Die Ähnlichkeit mit Teilen des Immunsystems anderer Organismen ließ die Forscher vermuten, dass die DGRs die Sensorproteine, die Thiohalocapsa zur Abwehr von Krankheitserregern verwendet, analog zu den Antikörpern in unserem eigenen Immunsystem diversifizieren könnten.

Alle lebenden Organismen müssen Bedrohungen erkennen, denen sie noch nie zuvor begegnet sind. Menschen und andere Wirbeltiere lösen dieses Problem, indem sie Gene für ihre Sensorproteine ​​(Antikörper) mischen und mutieren, um eine vielfältige Armee von Wächtern zu erzeugen. Obwohl neuere Forschungen gezeigt haben, dass sich viele Komponenten unseres angeborenen Immunsystems aus bakteriellen Vorfahren entwickelt haben, haben Wissenschaftler noch nie zuvor bei Bakterien so etwas wie unsere hyperdiversen Antikörper gesehen.

Ein weit verbreiteter immunologischer Zusammenhang

Das Team untersuchte zunächst umfassend die in Bakterien und Archaeen vorkommenden DGRs und konzentrierte sich dabei auf das Gen, das für die Rückumwandlung von RNA in DNA verantwortlich ist. Diese Methode unterteilt die DGRs von Bakterien und Archaeen in zwei Gruppen.

Innerhalb der Gruppe, zu der Thiohalocapsa gehört, fanden sie heraus, dass 82 % der DGRs zu Mikroben gehören, die vielzellige, kooperative Strukturen bilden, ähnlich den rosa Beeren. Obwohl sie zu entfernt verwandten Mikroben gehörten, wirken sich die Veränderungen der DGRs tendenziell auf die gleichen Gene des Immunsystems aus wie bei Thiohalocapsa.

Bei der Untersuchung Hunderter einzelner rosa Beeren stellten sie fest, dass DGRs 14 der insgesamt 15 Zielgene in Thiohalocapsa aktiv diversifizierten. Das Ausmaß der für diese Gene gefundenen Variation variierte jedoch je nach Standort, an dem die rosa Beeren gesammelt wurden. Die Viren in Tümpeln im selben Sumpfgebiet können variieren – was möglicherweise die Ursache für die Unterschiede ist, die das Team sah.

„Die nächste Grenze besteht darin, zu zeigen, was Thiohalocapsa tatsächlich mit seinen DGRs in der Umwelt bewirkt“, sagt Wilbanks.

Diese Forschung bietet nicht nur einen Einblick in die Entwicklung des Lebens, sondern hat auch praktische Auswirkungen.

Kläranlagen nutzen mehrzellige Bakterien, um Nährstoffe zu entfernen, die lokale Ökosysteme schädigen können, und Forscher auf Bundes- und Industrieebene erforschen eine Vielzahl anderer Anwendungen für künstlich hergestellte Mikrobenklumpen. Diese mikrobiellen Strukturen stehen vor der gleichen Herausforderung – Virusepidemien – wie die rosa Beeren.

Bei der Entwicklung dieser mikrobiellen Systeme ist es laut Wilbanks sinnvoll, die DGR-basierte Immunität wilder Gemeinschaftsbakterien nachzuahmen.