Bacillus subtilis, ein im Boden vorkommendes Bakterium, bildet beim Wachstum konzentrische Ringe. (Kwang-Tao Chou/UC San Diego) Bakterienkolonien können sich in komplexen ringförmigen Mustern organisieren, die eine „faszinierende Ähnlichkeit“ mit sich entwickelnden Embryonen haben und vermutlich nur bei Pflanzen und Tieren vorkommen, wie neue Forschungsergebnisse zeigen.
Bakterienzellen schließen sich zu Klumpen zusammen und bilden dicht gepackte Kolonien, sogenannte Kolonien Biofilme die haben ein wachsenden Ruf weil sie sich seltsamerweise wie vielzellige Organismen verhalten. Diese Biofilme können fast überall gefunden werden, von Bootsrümpfen, Feldfrüchten und heißen Quellen bis hin zu klebriger, hartnäckiger Zahnbelag das sich auf unseren Zähnen ablagert.
Aber wie wir gelernt haben, sollten Biofilme nicht mit schleimigen Zellklumpen verwechselt werden – sie können raffinierte Muster bilden, die der Art und Weise ähneln, wie Pflanzen und Tiere während ihres Wachstums Segmente entwickeln, wie diese neue Forschung zeigt.
„Wir sehen, dass Biofilme viel raffinierter sind, als wir dachten“, sagt Der Molekularbiologe und Studienautor Gürol Süel von der University of California San Diego, dessen frühere Forschung auf Biofilme hindeutete ein kollektives Gedächtnis teilen ähnlich wie Neuronen im Gehirn (obwohl nicht alle Wissenschaftler davon überzeugt waren).
Darüber hinaus scheinen Biofilme auch in der Lage zu sein, andere Bakterienarten für den Beitritt zu ihren Gemeinschaften zu rekrutieren elektrische Signale mit großer Reichweite .
In dieser neuesten Studie haben Süel und Kollegen beobachtet, dass im Labor gewachsene bakterielle Biofilme ringartige Strukturen bilden, die an Entwicklungsstreifen von Pflanzen und Tieren erinnern.
In mehrzelligen Organismen führt diese als Segmentierung bekannte zelluläre Strukturierung zu unterschiedlichen Gewebetypen und komplexen Körperformen, wohingegen Biofilmgemeinschaften, bei denen es sich im Wesentlichen um Klumpen einzelliger Bakterien handelt, nur die primitivsten Strukturen bilden.
„Unsere Entdeckung zeigt, dass bakterielle Biofilme einen Entwicklungsmustermechanismus nutzen, von dem man bisher annahm, dass er nur bei Wirbeltieren und Pflanzensystemen vorkommt“, so die Forscher schreiben .
Im Labor wuchs das Team Bacillus subtilis , ein stäbchenförmiges Bakterium, das im Boden und beim Menschen vorkommt und faltige Biofilme bildet.
Bei Stickstoffmangel organisierten sich die wachsenden Biofilme in klaren kreisförmigen Bändern, die an Baumringe und die Art von Segmentierung erinnerten, die man bei sich entwickelnden Embryonen sieht. Schauen Sie sich das Video unten an, das das Wachstum einer Kolonie über zwei Tage hinweg zeigt.
Die Forscher gehen davon aus, dass diese ringförmige Musterung durch einen zugrunde liegenden genetischen Schaltkreis in den Bakterienzellen erzeugt wird, der auf extremen Stress reagiert, wenn Nährstoffe wie lebenswichtiger Stickstoff knapp sind.
Mathematische Modellierungen und Experimente ergaben, dass die Biofilme nach außen wuchsen und Nährstoffe verschlangen. Eine „Welle“ des Nährstoffmangels breitete sich über die Bakterienzellen aus und „frierte“ praktisch jede Zelle mit den stressmindernden Genen ein, die sie zu diesem Zeitpunkt verwendeten.
Die Forscher stellten fest, dass diese pulsierende, immer wiederkehrende Stressreaktion sich wiederholende Segmente verschiedener Zelltypen im kreisförmigen Biofilm erzeugte und mit einem „Uhr- und Wellenform“-Mechanismus übereinstimmt, der bisher nur bei hochentwickelten Organismen beobachtet wurde.
„In einem expandierenden Biofilm“, so die Forscher schreiben „Dieser „Einfrier“-Mechanismus könnte auf natürliche Weise während der Entwicklung auftreten: Replizierende Zellen an der Vorderkante des Biofilms wachsen und hinterlassen Tochterzellen, die in den Biofilm eingebettet werden und somit weniger Zugang zu Nährstoffen haben.“
Süel und Kollegen machen weiter spekulieren dass dieser Strukturierungsmechanismus eine weitere Möglichkeit für Biofilme sein könnte, mit unvorhersehbaren Bedingungen umzugehen und sich sozusagen abzusichern, „da nicht alle Sporen zur gleichen Zeit und in derselben Region des Biofilms gebildet werden.“
Dies ist jedoch nicht das erste Mal, dass Wissenschaftler Bakteriengemeinschaften entdeckt haben, die mehrzellige Organismen nachahmen, und es gibt laut den Forschern zweifellos deutliche Unterschiede zwischen den beiden Notiz .
Im Jahr 2020 zeigten Wissenschaftler, wie Biofilm wächst spiegelt die Embryonalentwicklung wider , mit expandierenden Kolonien, die einer streng orchestrierten Abfolge der Genexpression über mehrere Monate folgen.
Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieser Studie war der Genetiker Tomislav Domazet-Lošo von der Katholischen Universität Kroatien sagte : „Angesichts der Tatsache, dass es sich bei den ältesten bekannten Fossilien um bakterielle Biofilme handelt, ist es sehr wahrscheinlich, dass das erste Leben ebenfalls vielzellig war und nicht, wie bisher angenommen, ein einzelliges Lebewesen.“
Süel und Kollegen weisen außerdem darauf hin, dass Biofilme keine klaren Grenzen zwischen Zelltypen aufweisen, so wie sich Embryonen entwickeln ausgeprägte Zellschichten Scheinbare Ähnlichkeiten sind daher zum jetzigen Zeitpunkt lediglich konzeptioneller Natur.
Dennoch werfen diese jüngsten Beobachtungen einige große Fragen darüber auf, was einen mehrzelligen Organismus ausmacht, wenn „einfache“ einzellige Organismen weitaus weiter fortgeschritten zu sein scheinen, als wir zunächst dachten.
„Diese Debatte wird durch diese [neueste] Studie neu entfacht“, sagt der Zellbiologe Tanmay Bharat von der Universität Oxford erzählt Neuer Wissenschaftler . „Aus evolutionärer zellbiologischer Sicht wäre es interessant zu untersuchen, wo die Unterschiede liegen.“
Die Studie wurde veröffentlicht in Zelle .