Chemotaxos: Der Vorteil, anders zu sein

Auch genetisch identische Organismen weisen individuell stark schwankende Konzentrationen bestimmter Proteine auf. Am Beispiel des bakteriellen Chemotaxissystems haben Wissenschaftler diese Proteinkonzentrationen in Einzelzellmessungen bestimmt und durch Computer-Modelle des Regelsystems gezeigt, dass diese Schwankungen dazu dienen können, die Bakterienpopulation fit für unvorhergesehene Änderungen in ihrer Umwelt zu machen.

Nicht nur Menschen, sondern auch alle anderen Organismen sind Individuen, und das kann evolutionär durchaus sinnvoll sein: weil unterschiedliche Individuen nicht alle auf dieselben Signale in gleicher Weise reagieren, ist stets ein Teil der Population auf künftige Änderungen der Umwelt besser vorbereitet, d.h. die Population als Ganzes kann sich so besser an Änderungen anpassen. Die Überprüfung dieser These ist bei höheren Organismen schwer, weil die Umgebung und das Verhalten dieser Organismen sehr komplex sind. Wissenschafter des Zentrums für Molekulare Biologie (ZMBH) und des Interdisziplinären Zentrums für Wissenschaftliches Rechnen (IWR) der Universität Heidelberg sowie des Zentrums für Biosystemanalyse der Universität Freiburg haben in einer Arbeit, die in PLoS Computational Biology veröffentlicht wurde, die kleinsten und einfachsten Organismen - Bakterien - untersucht, um zu zeigen, wie eine Bakterienpopulation von Unterschieden zwischen Individuen profitieren kann.

Bei einfachen einzelligen Organismen wie Bakterien sind es vor allem die interzellulären Variationen von Proteinmengen, die diese individuell machen. Solche Variationen entstehen spontan durch die stochastische Natur der Proteinproduktion, und betreffen gleichermaßen bakterielle und eukaryotische Zellen. Die Forschungsgruppe von Dr. Victor Sourjik am ZMBH beschäftigt sich seit Jahren mit der Charakterisierung dieser interzellulären Variationen und untersucht deren Auswirkungen auf das chemotaktische Verhalten von Escherichia coli-Bakterien.

Die Chemotaxis ermöglicht es Bakterien, chemische Gradienten in ihrer Umgebung zu verfolgen, um auf Nahrungsmolekülen zu schwimmen oder giftige Stoffe zu meiden. Dieses Verhalten beruht auf einem einfachen Kontrollmechanismus, das ein Signal an die Flagellenmotoren sendet, wann immer eine Bakterienzelle im Gradienten in eine günstige Richtung schwimmt. Um zu gewährleisten, dass die Bakterien ansteigende chemische Reize kontinuierlich wahrnehmen können, wird die Empfindlichkeit nach einer kurzen Pause durch ein Adaptationssystem zurückgesetzt. Solche Adaptationen sind ein integrer Teil der meisten sensorischen Systeme, wie z.B. auch beim menschlichen Sehen - zuerst werden wir durch helles Licht geblendet, dann aber adaptieren sich unsere Augen an die Helligkeit, und wir können die Grautöne wieder unterscheiden.

In der bakteriellen Chemotaxis wird die Adaptation durch zwei Enzyme vermittelt, deren Konzentrationen von Zelle zur Zelle erstaunlich stark schwanken. Das hat zur Folge, dass einige Zellen schnell und andere langsam adaptieren, was auf den ersten Blick ein Nachteil zu sein scheint. Die Computersimulationen zeigen nun, dass sich wegen dieser Schwankungen nur wenige Bakterien einer Population in einem bestimmten Gradienten optimal chemotaktisch verhalten können. Bei ihnen wird der ansteigende Reiz des Lockstoffs durch die Rate der Adaptation genau ausgeglichen. Bakterien, die zu schnell oder zu langsam adaptieren, können die chemischen Reize nicht richtig wahrnehmen. Die optimale Adaptationsrate hängt aber direkt von der Gradientenstärke ab, und hier kommt der Vorteil der Heterogenität einer Population zum Tragen.

Bakterien, die in einem flachen Gradienten schlecht abschneiden, weil sie zu schnell adaptieren, können dafür einen steileren Gradienten optimal verfolgen. Da die Gradienten in der Umwelt nicht vordefiniert sind, profitiert die Population als Ganzes davon, dass sich die Adaptationszeiten einzelner Zellen voneinander unterscheiden und es immer Zellen gibt, die den einen oder anderen Nährstoffgradienten verfolgen und dabei neue Nahrungsquellen entdecken können.

Nikita Vladimirov, Linda Løvdok, Dirk Lebiedz, Victor Sourjik:
Dependence of Bacterial Chemotaxis on Gradient Shape and Adaptation Rate.
In: PLoS Computational Biology; e1000242, veröffentlicht am 19. Dezember 2008, DOI 10.1371/journal.pcbi.1000242

Quelle: Ruprecht-Karls-Universität, Heidelberg

Aktualisiert am 05.01.2009.

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