Wissenschaftler haben ein Gen entdeckt, das für die ungewöhnliche Lebensweise winziger Bakterien notwendig ist, die auf der Oberfläche größerer Bakterien leben. Begleitbakterien sind eine mysteriöse Gruppe winziger Mikroorganismen, deren Lebensweise schwer zu bestimmen ist. Obwohl Wissenschaftler nur wenige dieser Arten kultivieren können, gehören sie zu einer vielfältigen Familie, die in vielen Umgebungen vorkommt.
Die Rasterelektronenmikroskopaufnahme zeigt kleine violette Corynebacterium-Zellen, die auf der Oberfläche einer viel größeren Zelle wachsen. Neue Forschungen unter der Leitung des Labors von Joseph Mougous am UW Medical Center in Seattle enthüllen ihren Lebenszyklus, ihre Gene und einige der molekularen Mechanismen hinter ihrem ungewöhnlichen Lebensstil. Bei diesen epiphytischen Bakterien handelt es sich um Southlakia epibionticum. Bildnachweis: Yaxi Wang, WaiPang Chan und Scott Braswell/University of Washington
Die wenigen Arten von Corynebacterium, die Forscher im Labor züchten konnten, leben auf der Zelloberfläche einer anderen, größeren Wirtsmikrobe. Corynebakterien fehlen im Allgemeinen die Gene, die sie zur Herstellung vieler lebensnotwendiger Moleküle benötigen, etwa der Aminosäuren, aus denen Proteine bestehen, der Fettsäuren, die Membranen bilden, und der Nukleotide in der DNA. Die Forscher vermuteten, dass viele Wirbellose für ihr Wachstum auf andere Bakterien angewiesen sind.
In einer kürzlich in Cell veröffentlichten Studie haben Forscher zum ersten Mal die molekularen Mechanismen hinter dem ungewöhnlichen Lebensstil von Corynebacterium enthüllt. Dieser Durchbruch wurde durch die Entdeckung von Möglichkeiten zur genetischen Manipulation dieser Bakterien ermöglicht, ein Fortschritt, der eine Welt möglicher neuer Forschungsrichtungen eröffnet.
Nitin S. Baliga vom Institut für Systembiologie in Seattle sagte: „Während die Metagenomik uns sagen kann, welche Mikroben auf und in unserem Körper leben, geben uns DNA-Sequenzen allein keinen Aufschluss darüber, wie nützlich oder schädlich sie sind. Aktivität, insbesondere für Organismen, die noch nie zuvor charakterisiert wurden.“ „
Er fügte hinzu: „Die Fähigkeit, Corynebacterium genetisch zu zerstören, eröffnet die Möglichkeit, eine leistungsstarke Systemanalyselinse anzuwenden, um die einzigartige Biologie des obligaten Periphytons schnell zu charakterisieren.“ TAG PH20
Das Team hinter der Studie wurde vom Labor von Joseph Mougous in der Abteilung für Mikrobiologie der Washington University School of Medicine und dem Howard Hughes Medical Institute geleitet.
Sie sind eines von vielen unbekannten Bakterien, deren DNA-Sequenzen in groß angelegten genetischen Analysen von Genomen auftauchten, die in artenreichen mikrobiellen Gemeinschaften aus Umweltquellen entdeckt wurden. Dieses genetische Material wird „mikrobielle dunkle Materie“ genannt, weil so wenig über die Funktionen, die es kodiert, bekannt ist.
Das Cell-Papier weist darauf hin, dass mikrobielle Dunkle Materie Informationen über biochemische Wege mit potenziellen biotechnologischen Anwendungen enthalten könnte. Es liefert auch Hinweise auf die molekularen Aktivitäten, die mikrobielle Ökosysteme unterstützen, und auf die Zellbiologie der verschiedenen mikrobiellen Arten, die sich in diesem System versammeln.
Das in dieser neuesten Studie analysierte Corynebakterium gehört zur Gruppe der Saccharibakterien. Sie leben in einer Vielzahl von terrestrischen und aquatischen Umgebungen, sind jedoch vor allem dafür bekannt, dass sie im menschlichen Mund leben. Sie sind mindestens seit der Mittelsteinzeit Teil des menschlichen oralen Mikrobioms und haben Einfluss auf die Mundgesundheit des Menschen.
In der menschlichen Mundhöhle benötigt Saccharibacterium die Gesellschaft von Actinomyceten, die ihre Wirte sind. Um besser zu verstehen, wie Hefe mit ihrem Wirt interagiert, verwendeten Forscher genetische Manipulation, um alle Gene zu identifizieren, die für das Wachstum von Hefe erforderlich sind.
Mougous, Professor für Mikrobiologie, sagte: „Wir freuen uns sehr über ein vorläufiges Verständnis der Funktion der ungewöhnlichen Gene, die diese Bakterien tragen. Indem wir uns in Zukunft auf diese Gene konzentrieren, hoffen wir, das Geheimnis zu lüften, wie Glykobakterien Wirtsbakterien zum Wachstum nutzen.“
Mögliche mit dem Wirt interagierende Faktoren, die in der Studie identifiziert wurden, umfassen Zelloberflächenstrukturen, die Saccharibacterium dabei helfen können, sich an Wirtszellen anzuheften, und spezielle Sekretionssysteme, die zum Transport von Nährstoffen verwendet werden können.
Eine weitere Anwendung der Arbeit der Autoren ist die Erzeugung von Hefezellen, die fluoreszierende Proteine exprimieren. Mit diesen Zellen führten die Forscher Zeitraffer-Mikrofluoreszenzaufnahmen von Saccharibacterium durch, die neben Wirtsbakterien wachsen.
S. Brook Peterson, ein leitender Wissenschaftler im Moogers-Labor, bemerkte: „Zeitrafferaufnahmen von Saccharobacterium-Wirtszellkulturen offenbaren die überraschende Komplexität des Lebenszyklus dieser ungewöhnlichen Bakterien.“
Die Forscher berichten, dass einige Hefen als Mutterzellen dienen, sich an Wirtszellen anheften und wiederholt Knospen bilden, um kleine Nachkommen zu produzieren. Diese kleinen Kerle sind weiterhin auf der Suche nach neuen Wirtszellen. Einige Nachkommen werden wiederum zu Mutterzellen, während andere scheinbar nicht hilfreich mit ihren Wirten interagieren.
Die Forscher glauben, dass zusätzliche genetische Manipulationsstudien die Tür zu einem umfassenderen Verständnis der Rolle dessen öffnen werden, was sie als „das reichhaltige Reservoir mikrobieller dunkler Materie, das diese Organismen beherbergen“ bezeichnen, und möglicherweise biologische Mechanismen aufdecken werden, die noch nicht vorstellbar waren.