Ärzte Zeitung online, 21.08.2008

Selbstaufopferung bei Salmonellen als Überlebensstrategie

ZÜRICH (eb). Einzelne Zellen einer Bakterienpopulation können offenbar ihr Leben einsetzen, damit sich die anderen Zellen ihres Stammes möglichst gut vermehren. Biologen der ETH Zürich beschreiben am Beispiel von Salmonellen erstmals ein biologisches Konzept, bei dem Aufopferung für andere bis hin zur Selbstzerstörung bei Bakterien zur Überlebensstrategie gehört.

Selbstaufopferung kommt nicht nur bei Menschen, sondern auch bei andern Lebewesen, selbst bei einfachen Bakterien, vor. Biologen von der ETH aus Zürich (Teams um Professor Martin Ackermann und Professor Wolf-Dietrich Hardt) und aus Vancouver (Team um Professor Michael Doebeli) fanden heraus, wie es durch einen molekularen Zufallsprozess bei der Zellteilung dazu kommt, dass die Schwesterzellen von Bakterien neue Funktionen erlangen und sich selbst für andere opfern (Nature 454, 2008, 987).

Die Forscher untersuchten dieses außergewöhnliche biologische Konzept am Beispiel von Salmonellen. Normalerweise können Salmonellen, wenn sie etwa über verunreinigte Nahrung wie Eier oder Geflügelfleisch in den Darm gelangen, dort wegen der natürlichen Darmflora nur schlecht vermehren. Die Salmonellen für dieses Problem eine überraschende Lösung entwickelt.

Ein erster Teil der Bakterien verbleibt im Innern des Darms. Ein zweiter Teil zeigt ein Kamikaze-artiges Verhalten, das zu ihrer Zerstörung führt: Sie dringen ins Darmgewebe ein und werden dort durch das Immunsystem zerstört. Durch diesen Vorgang wird eine Darmentzündung ausgelöst, wodurch wiederum ein großer Teil der Darmflora eliminiert wird. Die im Darm verbliebene erste Gruppe der Salmonellen erhält so die Gelegenheit, sich ungehindert zu vermehren.

Der Zufall entscheidet

Ob eine Zelle zur ersten selbstaufopfernden oder zur zweiten profitierenden Gruppe gehört, entscheidet sich bei der Zellteilung. Salmonellen vermehren sich rasch durch Zellteilung und bilden genetisch identische Abkömmlinge. Bei der Zellteilung werden Zellbestandteile zufällig auf die beiden Tochterzellen verteilt. Dieser Zufallsprozess führt dazu, dass nicht alle Abkömmlinge dieselben Eigenschaften haben. Zwei Gruppen von Zellen entstehen, die - obwohl genetisch identisch - durch Arbeitsteilung unterschiedliche Eigenschaften und Verhaltensweisen erlangen können. Eine Gruppe dringt ins Gewebe und stirbt, und die andere bleibt im Darm und profitiert.

Gerade weil sie genetisch identisch sind, funktioniert dieses biologische Konzept so gut: Wären sie genetisch unterschiedlich, würde sich der aufopfernde Typ rasch selbst ausrotten. Wie groß der Anteil an Zellen ist, die sich selbst opfern, ist wahrscheinlich ein genetisch kodiertes Merkmal.

Grundlegende Erkenntnisse

Die Arbeit bietet eine neue Erklärung für die Bedeutung von Zufallsprozessen in der Biologie. Zudem ermöglicht die Studie bisher unbekannte Einblicke in die Biologie von Salmonellen. Ähnliche biologische Konzepte sind wahrscheinlich auch bei anderen Krankheitserregern wie Clostridien und Streptokokken von Bedeutung.

Um solche Krankheitserreger wirksam bekämpfen zu können, sei eine umfassende Kenntnis ihrer Biologie notwendig, so Ackermann. Er betont, dass dieses Projekt nur durch die Zusammenarbeit von drei Spezialistengruppen möglich geworden ist. Hardts Gruppe ist auf Salmonellen spezialisiert, Doebeli ist Mathematiker und Theoretischer Biologe. Ackermanns Gruppe untersucht molekulare Zufallsprozesse bei der Ausprägung von biologischen Merkmalen.

Originalbeitrag "Self-destructive cooperation mediated by phenotypic noise"

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