Bakterien wehren sich mit Nano-Harpunen gegen Angriffe

Einige Bakterien verwenden winzige Harpune, um Rivalen abzuwehren. Forschende der Universität konnten jetzt zeigen, dass die Bakterien ihre Nano-Waffe erst dann zusammenbauen und abfeuern, wenn ihre Zellhülle bei einem Angriff beschädigt wird.

In der Welt der Mikroben gibt es sowohl friedliches Miteinander als auch erbitterter Kampf um Platz und Nährstoffe. Manche Bakterien stechen ihre Konkurrenten aus oder wehren Angreifer ab, indem sie ihnen mit einer winzigen Nano-Harpune – auch als Typ-VI-Sekretionssystem (T6SS) bekannt – einen tödlichen Cocktail injizieren.

Bakterien reagieren auf Schäden der äußeren Zellhülle

Die Forschungsgruppe von Prof. Marek Basler am Biozentrum der Universität Basel erforscht seit vielen Jahren das T6SS in unterschiedlichen Bakterienarten wie zum Beispiel in Pseudomonas aeruginosa. „Uns war bereits bekannt, dass dieses Bakterium seine Nano-Harpune erst dann einsetzt, wenn es angegriffen wird“, erklärt Basler. „Wir wussten jedoch nicht genau, was den Zusammenbau der Nano-Harpune auslöst: Reicht der direkte Kontakt mit Nachbarzellen, sind es toxische Moleküle oder einfach nur Schäden an der Zelle?“

In Zusammenarbeit mit dem Team von Roderick Lim, Argovia-Professor für Nanobiologie am Biozentrum und am Swiss Nanoscience Institut (SNI), konnten die Forschenden nun zeigen: Die Bakterien schlagen erst dann zurück, wenn ihre äußere Zellhülle mechanisch beschädigt wird, wie etwa beim Durchstechen mit einer sehr spitzen „Nadel“. Die Studie erscheint in „Science Advances“.

Bakterienhülle mit winziger „Nadel“ durchlöchert

Das Labor von Roderick Lim verfügt über langjährige Expertise in der Rasterkraftmikroskopie (AFM). „Mit dem Rasterkraftmikroskop konnten wir einen bakteriellen T6SS-Angriff imitieren“, sagt Mitchell Brüderlin, Doktorand an der SNI-Doktorandenschule und Erstautor der Studie. „Mit der nadelartigen Spitze des AFM können wir die Bakterienoberfläche berühren und, indem wir schrittweise den Druck erhöhen, gezielt die äußere und innere Membran der Bakterien durchstossen.“

In Kombination mit Fluoreszenzmikroskopie konnten die Forschenden nachweisen, dass Bakterien auf Schäden in der äußeren Membran reagieren. „Innerhalb von zehn Sekunden bauen die Bakterien ihr T6SS an der beschädigten Stelle zusammen und feuern meist mehrmals mit höchster Präzision zurück“, beschreibt Basler. „Unsere Arbeit zeigt ganz klar, dass es ausreicht, wenn allein die äußere Membran beschädigt ist, um den Zusammenbau der T6SS-Harpune in Gang zu setzen.“

Neue Einblicke in bakterielle Abwehrmechanismen

Die größte Herausforderung waren sowohl die Größe als auch die Form der Bakterien. „Bisher haben wir mit dem AFM nur eukaryotische Zellen untersucht, darunter auch menschliche Zellen“, erklärt Lim. „Die stäbchenförmigen Pseudomonas-Bakterien sind jedoch mehr als zehnmal kleiner als menschliche Zellen. Die richtige Stelle mit der AFM-Spitze zu treffen, war daher äusserst anspruchsvoll.“

In mikrobiellen Ökosystemen ist Überleben eine Frage der Strategie – und Pseudomonas aeruginosa beherrscht die Kunst der Verteidigung zweifellos. „Da die Bakterien nach einem Angriff sehr gezielt und schnell mit dem T6SS zurückfeuern, sinkt das Risiko, dass sie am Gegner vorbeischießen“, so Basler.

„Der Aufwand, die Nano-Harpune herzustellen, lohnt sich für die Bakterien insgesamt betrachtet.“ Die raffinierte Verteidigungstaktik verschafft Pseudomonas einen Überlebensvorteil. Indem die Bakterien gezielt Angreifer ausschalten, können sie sich auch in einem Umfeld starker Rivalität gut behaupten.