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6.2: Bakterielle Signalgebung
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PROTOKOLLE

6.2: Bakterielle Signalgebung

Überblick

Mitunter verhält sich eine Gruppe von Bakterien wie eine Gemeinschaft. Um dies zu erreichen, setzen sie auf das sogenannte Quorum Sensing. Dabei handelt es sich um die Wahrnehmung einer höheren Zelldichte, die zu einer Veränderung der Genexpression führt. Quorum Sensing umfasst sowohl extrazelluläre als auch intrazelluläre Signale. Die Signalkaskade beginnt mit einem Molekül, das als Autoinduktor (AI) bezeichnet wird. Einzelne Bakterien produzieren Autoinduktoren, die sich aus der bakteriellen Zellmembran in den extrazellulären Raum bewegen. AIs können sich passiv entlang eines Konzentrationsgradienten aus der Zelle heraus bewegen oder aktiv über die Bakterienmembran befördert werden.

Die extrazelluläre Konzentration der AI gibt Signale an Bakterien

Wenn die Zelldichte in den Bakterienpopulationen niedrig ist, so diffundieren die AIs von den Bakterien weg. So wird die Konzentration der AIs in der Umgebung niedrig gehalten wird. Wenn sich die Bakterien reproduzieren und weiterhin AIs ausscheiden, steigt die Konzentration der AIs und erreicht schließlich eine Schwellenkonzentration. Diese Schwelle erlaubt es den AIs, Membranrezeptoren an die Bakterien zu binden, wodurch Veränderungen in der Genexpression in der gesamten Bakteriengemeinschaft ausgelöst werden.

Gram-Färbung

Viele Bakterien werden allgemein als gram-positiv oder gram-negativ eingestuft. Diese Bezeichnungen beziehen sich auf die Farbe, die die Bakterien annehmen, wenn sie mit einer Reihe von Farbstoffen behandelt werden. Diese Methode wurde von Hans Christian Joachim Gram vor über einem Jahrhundert entwickelt. Nehmen Bakterien eine violette Farbe an, sind sie gram-positiv, sehen sie rot aus, sind sie gram-negativ. Diese Färbungen werden von den Bakterien aufgrund der unterschiedlichen Chemie ihrer Zellwände aufgenommen. Die unterschiedliche Zusammensetzung der bakteriellen Zellwände bestimmt die Art und Weise, wie die Bakterien miteinander und mit ihrer Umgebung interagieren. Sie ist oft direkt an der Entstehung von Krankheiten beteiligt. Zum Beispiel bestehen die Zellwände von gram-negativen Bakterien hauptsächlich aus Lipopolysaccharid, was auch als Endotoxin bekannt ist. Bei einem Patienten kann dieses Endotoxineinen septischen Schock verursachen.

Quorum Sensing in gram-positiven und gram-negativen Bakterien

Bei gram-positiven Bakterien erfolgt das Quorum Sensing meist in zwei Schritten. Zunächst bindet das AI, ein autoinduzierendes Peptid (AIP), einen Membranrezeptor, wenn die äußere Konzentration ausreichend hoch ist. Die Bindung aktiviert interne Enzyme, so genannte Second Messenger Kinasen, die Transkriptionsfaktoren phosphorylieren. Die Transkriptionsfaktoren regulieren dann die Expression verschiedener Gene.

Bei vielen gram-negativen Bakterien erfolgt das Quorum Sensing jedoch in einem einstufigen Prozess. Erreicht die externe Konzentration der AIs den Schwellenwert, durchqueren diese die Membran (über einen Transporter) und treten wieder in die Zelle ein. Im Inneren können sie direkt mit Transkriptionsfaktoren interagieren, um die Genexpression zu regulieren. Diese Art der Signalübertragung erfordert keinen Zwischen -oder Botenstoff. Der Autoinduktor fungiert in diesem Fall selbst als Botenstoff. Aber auch ohne einen zweiten Botenstoff kann die intrazelluläre Signalübertragung kompliziert sein.

Signale in einer lichtproduzierenden Bakterie

Ein Beispiel dafür ist das Bakterium Photorhabdus luminescens, das gram-negativ ist. Es produziert den Autoinduktor 2 (AI-2) als Quorum Sensing Signal und als intrazelluläres Signal. Die Bakterien geben AI-2 an die Umgebung ab. Wenn die AI-2-Konzentration außerhalb der Bakterienzellen einen Schwellenwert erreicht, bindet AI-2 an einen ATP-bindenden Kassetten-(ABC)-Transporter auf der Bakterienmembran und wird durch den ABC-Transporter re-internalisiert. Dann phosphoryliert eine intrazelluläre Kinase, LsrK, das AI-2 selbst. Einmal aktiviert, kann AI-2 selbst als Transkriptionsfaktor fungieren und Gene aktivieren, die für das Enzym Luciferase kodieren. Die Luciferase produziert Licht, wenn sie spezifische Reaktionen katalysiert. Erst wenn die Photorhabdus luminescens Population eine kritische Dichte erreicht hat, kann man ihre Biolumineszenz sehen. Es wurde vermutet, dass dieses Bakterium für das bläulich-grüne Leuchten in den Wunden einiger US-Bürgerkriegssoldaten nach der Schlacht von Shiloh verantwortlich war.

Quorum-Signalisierung und bakterielle Infektionen von implantierten Medizinprodukten

Die Ausbreitung von Bakterien auf der Oberfläche von medizinischen Implantaten erfolgt durch Quorum-Signale und kann lebensbedrohliche Infektionen verursachen. Es wird viel geforscht, um Wege zu finden, die Bildung von bakteriellen Biofilmen in der Medizin zu verhindern. Ein Großteil dieser Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung neuer Materialien, die für das Bakterienwachstum nicht geeignet sind. Doch auch biologische Verbindungen, darunter Substanzen, die von einigen Bakterienarten produziert werden, werden auf ihre bakterienhemmenden Eigenschaften hin untersucht.


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