Chemischer Small-Talk: Wie Bakterien Mehrheiten finden

Kai Papenfort, neuer Professor für Allgemeine Mikrobiologie der Friedrich-Schiller-Universität Jena, erforscht das „Quorum Sensing“, einen chemischen Zählmechanismus, mit dem Mikroben ihre Artgenossen erkennen.

Cholera ist eine lebensbedrohende Erkrankung. Sie verursacht Bauchkrämpfe, Erbrechen und heftigen Durchfall. Auslöser ist das Bakterium Vibrio cholerae, das meist über kontaminiertes Trinkwasser in den Darm eines Menschen gelangt. Allerdings führt nicht jede Besiedelung mit V. cholerae automatisch dazu, dass ein Mensch an Cholera erkrankt. Das passiert nur, wenn sich eine hinreichend große Menge an Choleraerregern im Darm zu einem dichten Biofilm zusammengefunden hat. Dann produzieren die Erreger auf einen Schlag das giftige Choleratoxin und die Krankheit nimmt ihren Lauf.

Doch woher wissen die Bakterien, ob sie zahlreich genug sind, um die Immunabwehr des Wirtsorganismus zu überwinden? „Dafür nutzen die Erreger eine Art chemisches Zählwerk“, weiß Papenfort und erklärt: „Sie produzieren Signalmoleküle und geben diese in ihre Umgebung ab“, so der Mikrobiologe, der in diesem Wintersemester von der Ludwig-Maximilians-Universität München an die Uni Jena gewechselt ist. Da die Bakterien diese Moleküle nicht nur selbst produzieren, sondern über Rezeptoren auch aus der Umgebung wahrnehmen können, erhalten sie so Informationen über die Zelldichte ihrer Population. Und je nach Zelldichte regulieren die Mikroben ihr Verhalten. Diese Form der chemischen Kommunikation unter Einzellern bezeichnen die Forscher als „Quorum Sensing“.

Neues Konzept von Antibiotika

In seinem neuen Labor auf dem Jenaer Beutenberg-Campus versucht  Papenfort mit seinem Team diese Art des chemischen Small-Talks der Cholerabakterien zu entschlüsseln. „Unser Ziel ist es, die Bakterien bei ihrer Kommunikation nicht nur verstehen zu können, sondern uns aktiv einzumischen“, sagt der 38-Jährige. „Wenn wir die Sprache der Mikroorganismen sprechen, könnten wir zum Beispiel verhindern, dass die Cholerabakterien ihr Virulenzprogramm starten, weil wir ihnen vormachen, dass sie noch nicht genügend Artgenossen um sich versammelt haben.“ Wer die Regeln des „Quorum Sensing“ beherrscht, so ist Papenfort überzeugt, hat die Möglichkeit, ein vollkommen neues Konzept von Antibiotika zu entwickeln. Und das nicht nur gegen Cholera. Auch Salmonellen, Staphylokokken oder Pseudomonaden ließen sich durch „chemisches Zureden“ davon abbringen, Krankheiten auszulösen.

Das Thema „Quorum Sensing“ hat Kai Papenfort aus den USA mitgebracht, wo er von 2012 bis 2015 an der Universität Princeton im Team von Bonnie Bassler gearbeitet hat, „einer Pionierin auf diesem Gebiet“. Und auch hier in Jena hat er mit seinen grundlegenden Forschungsarbeiten zur mikrobiellen Kommunikation bereits zahlreiche Anknüpfungspunkte gefunden. „Die Universität Jena ist mit ihrem Microverse-Exzellenzcluster dafür bestens aufgestellt“, betont er. Auch zu Arbeitsgruppen des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie, das sich in direkter Nachbarschaft am Beutenberg befindet, hat Papenfort bereits gute wissenschaftliche Kontakte. Ausgezeichnete Voraussetzungen also für intensiven Austausch – und nicht nur für die mikrobielle Kommunikation.

Kai Papenfort hat in Marburg Biologie studiert und sich bereits in seiner Diplomarbeit auf Mikrobiologie und Molekularbiologie fokussiert. Nach dem Studium ging er ans Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie in Berlin, wo er sich in das damals ganz neue Forschungsfeld der regulatorischen RNA-Moleküle einarbeitete. Bis heute sind diese, die Genaktivität von Bakterien kontrollierenden, Moleküle ein weiterer Forschungsschwerpunkt von ihm – nicht zuletzt, weil sie auch beim „Quorum Sensing“ eine Rolle spielen. 2010 wurde er an der Humboldt-Universität Berlin promoviert und wechselte anschließend als Postdoc an die Universität Würzburg und 2012 mit einem Stipendium des Human Frontiers Science Programms nach Princeton. Im Jahr 2015 kehrte er nach Deutschland zurück, zuerst nach München und jetzt nach Jena.

Für seine Forschungsarbeiten ist Papenfort bereits mit zahlreichen Förderungen und Preisen gewürdigt worden, u. a. mit einem Postdoktorandenpreis der Robert-Koch-Stiftung (2014), einem Starting Grant des European Research Councils (2017) und als Scholar der Vallee Foundation (2019).