Bonnie Bassler: Kommunikation zwischen Bakterien entschlüsselt

Bonnie Bassler hat die Kommunikation zwischen Bakterien entschlüsselt und damit ein neues Verständnis für die mikrobielle Welt geschaffen. Ihre bahnbrechende Forschung zum Quorum Sensing zeigt, dass Bakterien nicht isolierte Organismen sind, sondern durch chemische Signale miteinander kommunizieren. Diese Erkenntnis hat nicht nur Auswirkungen auf die Grundlagenforschung, sondern auch auf die Medizin und Biotechnologie.

Bonnie Bassler und die Entdeckung des Quorum Sensing

Bonnie Bassler begann ihre Forschungen in den 1990er-Jahren an der Princeton University. Sie untersuchte das Meeresbakterium Vibrio harveyi, das in der Lage ist, Licht zu erzeugen. Dabei machte sie eine erstaunliche Entdeckung: Die Bakterien leuchteten nicht einzeln, sondern erst, wenn eine bestimmte Zellzahl erreicht war. Dies deutete darauf hin, dass sie über ein Kommunikationssystem verfügen mussten, um sich gegenseitig zu „informieren“.

Ihre Untersuchungen zeigten, dass Bakterien chemische Signale – sogenannte Autoinduktoren – ausschütten, um ihre Umgebung zu „lesen“. Sobald eine kritische Konzentration dieser Moleküle erreicht ist, erkennen die Bakterien das Signal und beginnen synchron mit bestimmten Aktivitäten. Dieser Mechanismus wurde als Quorum Sensing bekannt und revolutionierte das Verständnis der mikrobiellen Welt.

Wie funktioniert Quorum Sensing?

Quorum Sensing basiert auf der Produktion und Erkennung chemischer Signalstoffe. Dabei gibt es drei zentrale Mechanismen:

1. Autoinduktoren: Diese Signalmoleküle werden von Bakterien kontinuierlich abgegeben. Je mehr Bakterien vorhanden sind, desto höher ist die Konzentration der Moleküle in der Umgebung.
2. Signalwahrnehmung: Sobald die Konzentration eine kritische Schwelle überschreitet, binden die Moleküle an spezifische Rezeptoren auf der Bakterienoberfläche.
3. Genregulation: Durch die Signalbindung wird eine Kettenreaktion ausgelöst, die bestimmte Gene aktiviert oder deaktiviert. Dadurch kann die gesamte Bakterienpopulation ihr Verhalten synchron ändern.

Dieses System ermöglicht es Bakterien, sich wie ein „multizelluläres Wesen“ zu verhalten und kollektive Entscheidungen zu treffen. Sie können beispielsweise Virulenzgene aktivieren, Biofilme bilden oder ihr Wachstum steuern.

Medizinische Bedeutung von Bonnie Basslers Forschung

Die Erkenntnisse von Bonnie Bassler haben erhebliche Auswirkungen auf die Medizin. Viele gefährliche Bakterien nutzen Quorum Sensing, um sich zu vermehren und Krankheiten auszulösen. Besonders problematisch ist dies bei Infektionen mit antibiotikaresistenten Keimen.

Ein Beispiel ist Pseudomonas aeruginosa, ein Bakterium, das Lungeninfektionen bei Mukoviszidose-Patienten verursacht. Es bildet schleimige Biofilme, die es resistent gegen Antibiotika machen. Durch die Blockierung des Quorum Sensing könnten Forscher verhindern, dass diese Bakterien Virulenzfaktoren aktivieren oder widerstandsfähige Biofilme bilden.

Wissenschaftler arbeiten an der Entwicklung von Quorum-Sensing-Inhibitoren, die das Kommunikationssystem von Bakterien gezielt stören. Solche Wirkstoffe könnten eine Alternative zu herkömmlichen Antibiotika sein und helfen, Resistenzen zu umgehen.

Quorum Sensing in der Biotechnologie

Neben der Medizin spielt Quorum Sensing auch in der Biotechnologie eine wichtige Rolle. Durch das gezielte Steuern mikrobieller Kommunikation können industrielle Prozesse optimiert werden.

Ein Anwendungsbereich ist die Produktion von Enzymen und Wirkstoffen. Bestimmte Bakterien werden so programmiert, dass sie erst dann mit der Produktion beginnen, wenn eine ausreichende Zellanzahl erreicht ist. Dadurch können Ressourcen effizienter genutzt werden.

Ein weiteres Beispiel ist der biologische Pflanzenschutz. Wissenschaftler untersuchen, wie nützliche Bakterien durch Quorum Sensing Pflanzenkrankheiten bekämpfen können. Dies könnte den Einsatz chemischer Pestizide reduzieren und nachhaltige Anbaumethoden fördern.

Offene Fragen für die Zukunft

Es gib noch viele offene Fragen. Nicht alle Bakterien verwenden denselben Mechanismus. Einige Arten besitzen sogar Strategien, um die Kommunikation anderer Bakterien zu stören.

Einige Bakterien setzen beispielsweise Quorum-Quenching-Enzyme ein, um die Signalmoleküle ihrer Konkurrenten abzubauen. Dieser Mechanismus könnte in der Medizin genutzt werden, um pathogene Bakterien zu „verwirren“ und ihre Virulenz zu verringern.

Forscher untersuchen auch, ob sich Quorum Sensing gezielt manipulieren lässt, um Mikroben gezielt zu steuern. Dies könnte nicht nur zur Bekämpfung von Infektionen beitragen, sondern auch für Umwelttechnologien wie die biologische Wasserreinigung eingesetzt werden.