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Vermehrung von Bakterien entschlüsselt: Inneres Uhrwerk steuert Zellteilung

Vermehrung von Bakterien entschlüsselt: Inneres Uhrwerk steuert Zellteilung


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Studien: Wie sich Bakterien vermehren

Ob Infektionskrankheiten sich im Körper manifestieren hängt zum Teil von der Fähigkeit der Keime ab, sich zu vermehren. Dies geschieht bei Bakterien durch Zellteilung. Ein Forschungsteam aus der Schweiz entschlüsselte nun einen bislang unbekannten Mechanismus, den die Erreger zur Vermehrung nutzen. Dabei scheint eine Art „inneres Uhrwerk“ die Zellteilung zu steuern.

Forschende am Biozentrum der Universität Basel entdeckten ein Signalmolekül bei Bakterien, das die Vermehrung der Keime steuert. Es scheint sich dabei um einen universellen Mechanismus zu handeln, den alle Bakterienarten nutzen. Die Forschung trägt dazu bei, das Wachstum von Bakterien und Krankheitserregern besser zu verstehen. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in den zwei bekannten Fachjournalen „Nature Communications“ und „PNAS“ vorgestellt.

Zellteilung ist Grundlage bei der Ausbreitung von Infektionen

Die Fähigkeit zur Zellteilung und somit für die Vermehrung von Bakterien ist ein entscheidender Faktor bei der Verbreitung von bakteriellen Infektionskrankheiten. Wie schnell sich die Erreger teilen, hängt wiederum von ihren Lebensbedingungen ab. In Umgebungen mit widrigen Verhältnissen wie beispielsweise Nährstoffmangel, vermehren sich Bakterien deutlich langsamer. Bislang war unklar, durch welchen Prozess Bakterien steuern, wie schnell oder langsam sie sich teilen.

Bakterien gönnen sich eine Pause

Frühere Forschungsarbeiten zeigten bereits, dass Bakterien unter schlechten Umweltbedingungen nicht sofort mit der nächsten Zellteilung beginnen. Sie legen stattdessen eine Pause ein. Wie lang diese ist und wodurch sie unterbrochen wird, war allerdings nicht bekannt. Das Forschungsteam aus der Schweiz konnte dieses Rätsel nun lösen.

Die innere Uhr von Bakterien wird durch ein Protein gesteuert

Wann die nächste Zellteilung stattfindet, bestimmt den Studien zufolge das Signalmolekül c-di-GMP. „Der Anstieg des c-di-GMP-Spiegels setzt nach und nach einzelne Rädchen eines Uhrwerks in der Zelle in Bewegung“, beschreibt Forschungsleiter Professor Dr. Urs Jenal. Bei diesen „Rädchen“ handele es sich um nacheinander geschaltete Enzyme, die als Kinasen bezeichnet werden. „Sie bereiten die Zelle darauf vor, von der Ruhephase in die Phase der Zellteilung überzugehen“, so der Professor.

Die Uhr tickt, wenn das richtige Protein vorhanden ist

Die Forschenden fanden heraus, dass Bakterien unter günstigen Lebensbedingungen beginnen, das Signalmolekül c-di zu produzieren. Dieses Protein aktiviert die erste Kinase, die wiederum über 100 Gene aktiviert, die mit der Zellteilung in Verbindung stehen. Gleichzeitig werde die Produktion von weiteren Signalmolekülen angestoßen.

Ist der c-di-GMP-Spiegel hoch genug, wird schließlich die letzte Kinase in der Kette aktiviert – erst dann wird die eigentliche Zellteilung eingeleitet. „Damit entscheidet sich die Zelle endgültig dafür ihre DNA zu verdoppeln und die Teilung einzuleiten“, erklärt Jenal. Sobald die Bakterienzelle mit der Zellteilung beginnt, wird die gesamte Gruppe der Gene, die die Zellteilung einleiteten, wieder abgeschaltet und der Prozess beginnt erneut. „Denn diese sind nur in der Übergangsphase wichtig“, betont der Forschungsleiter.

Eingefrorene Kinasen

Das Team um Professor Dr. Tilman Schirmer konzentrierte sich derweil auf den feinstofflichen Ablauf des Aktiviertungsprozesses. Die Forschenden zeigten, dass die Kinasen bewegliche Abschnitte besitzen, die solange starr bleiben, bis c-di-GMP andockt. Erst dann werden Abschnitte freigegeben und die Kinase wird aktiviert. „Mit unserer Arbeit konnten wir ein neues Wirkprinzip für c-di-GMP zeigen“, resümiert Schirmer.

Das Prinzip scheint universell zu sein

Das besondere an den beiden Forschungsarbeiten ist, dass es sich um ein universelles Prinzip zu handeln scheint. Nach derzeitigem Kenntnisstand verwenden also alle Bakterienarten diesen Mechanismus zur Zellteilung. Der Prozess ermöglicht den Erregern, das Wachstum und die Entwicklung optimal auf die vorliegenden Verhältnisse anzupassen. Die Entschlüsselung dieses Prozesses ermöglicht nun ein besseres allgemeines Verständnis über die Ausbreitung von Bakterien. (vb)

Autoren- und Quelleninformationen

Dieser Text entspricht den Vorgaben der ärztlichen Fachliteratur, medizinischen Leitlinien sowie aktuellen Studien und wurde von Medizinern und Medizinerinnen geprüft.

Diplom-Redakteur (FH) Volker Blasek

Quellen:

  • Andreas Kaczmarczyk, Antje M. Hempel, Urs Jenal, u.a.: Precise timing of transcription by c-di-GMP coordinates cell cycle and morphogenesis in Caulobacter; in: Nature Communications, 2020, nature.com
  • Badri N. Dubey, Elia Agustoni, Tilman Schirmer, u.a. Hybrid histidine kinase activation by cyclic di-GMP–mediated domain liberation; in: PNAS, 2020, pnas.org


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