Frontiers for Young Minds

Sind alle Bakterien schlecht?

Wir haben immer viele, viele Bakterien um uns herum, da sie fast überall leben — in der Luft, im Boden, in verschiedenen Teilen unseres Körpers und sogar in einigen Lebensmitteln, die wir essen, wie Joghurt, Käse und Gurken. Aber keine Sorge! Die meisten Bakterien sind gut für uns. Einige leben in unserem Verdauungssystem und helfen uns, unsere Nahrung zu verdauen, und andere leben in der Umwelt und produzieren Sauerstoff, damit wir atmen und auf der Erde leben können. Aber leider können uns einige dieser wunderbaren Kreaturen manchmal krank machen. Dies ist, wenn wir einen Arzt aufsuchen müssen, der Medikamente verschreiben kann, um die Infektion zu kontrollieren. Aber was genau sind diese Medikamente und wie bekämpfen sie Bakterien? Diese Medikamente werden „Antibiotika“ genannt, was „gegen das Leben von Bakterien“ bedeutet.“ Wie der Name schon sagt, töten Antibiotika entweder Bakterien ab oder verhindern ihr Wachstum, indem sie einen bestimmten Prozess daran hindern, in der Bakterienzelle zu arbeiten. Wenn die Bakterien aufhören zu wachsen, kann unser Körper die Infektion beseitigen und wir fühlen uns besser.

Die Entwicklung von Antibiotika ist einer der größten Erfolge der modernen Medizin. Antibiotika haben Millionen von Menschenleben gerettet, seit Ärzte sie in den 1940er Jahren einsetzten. Antibiotika haben Menschen geholfen, ein viel besseres Leben zu führen, indem sie fast alle Arten von bakteriellen Infektionen erfolgreich behandelt haben. Aber wie wir sind auch Bakterien schlau! Seit den 1940er Jahren entwickeln Bakterien Taktiken, um die Auswirkungen von Antibiotika zu überwinden, und heute sehen wir immer mehr Bakterien, die überhaupt nicht mehr durch Antibiotika abgetötet werden können. Diese sind als antibiotikaresistente Bakterien oder „Superbugs“ bekannt geworden und stellen eine ernsthafte Bedrohung für die Gesundheit von Menschen auf der ganzen Welt dar. Wenn wir keine Antibiotika haben, um bakterielle Infektionen zu stoppen, könnte sogar etwas so Einfaches wie ein kleiner infizierter Schnitt am Finger lebensbedrohlich werden. Daher werden neue Waffen in Form neuer Antibiotika benötigt, um die durch antibiotikaresistente Bakterien verursachten Infektionen zu behandeln. Um neue Antibiotika zu finden, müssen wir zuerst das Innenleben der Bakterienzelle vollständig verstehen. Unser Labor konzentriert sich darauf, etwas sehr Wichtiges über die Funktionsweise von Bakterien zu verstehen – die Art und Weise, wie Bakterien aus einer Zelle zu zwei Zellen werden, auch als Prozess der bakteriellen Zellteilung bezeichnet.

Der bakterielle Weg, aus einem zwei zu werden

Wie alle Arten von Organismen müssen alle Bakterien wachsen und sich vermehren, um als Spezies zu überleben. Wenn genügend Nahrung zur Verfügung steht, vermehren sich Bakterien schnell, indem sie sich verdoppeln und sich dann halbieren, um zwei neue Zellen zu bilden . Dies ist der Prozess der „Teilung“ in Abbildung 1A. Bakterien verwenden dazu eine Art Maschinerie in der Zelle, die als Z-Ring bezeichnet wird (grüner Ring in Abbildung 1). Der Z-Ring bildet sich genau in der Mitte der Zelle und umschließt die Zelle. Wenn sich die Zelle teilt, werden zwei neue Zellen gleicher Größe erstellt. Während der Teilung muss alles innerhalb der Zelle kopiert und gleichmäßig zwischen den beiden neuen Zellen geteilt werden. Dazu gehört bakterielle DNA (in Abbildung 1 als braune Flecken in der Zelle dargestellt), die wie ein Code für Bakterien ist, der alle Informationen enthält, die eine Zelle zum Überleben benötigt. Wenn neue Zellen keine vollständige Kopie dieser Informationen erhalten, können sie nicht richtig wachsen und überleben nicht.

Die Bildung des Z-Rings genau in der Mitte der Zelle ist wichtig, um zwei gesunde Zellen zu produzieren; Andernfalls enthält eine Zelle keine DNA und stirbt ab (Abbildung 1B). Dies führt dazu, dass nur die Hälfte der neuen Bakterienzellen überlebt, was für das Bakterienwachstum nicht so gut ist. Hier kommt eine sehr interessante Frage — Wie stellt eine Bakterienzelle sicher, dass sich der Z-Ring nur in der Mitte der Zelle und nirgendwo sonst in der Zelle bildet? Der Ort, an dem sich der Z-Ring bildet, ist so wichtig, dass er von vielen Systemen kontrolliert wird, die zusammenarbeiten, um zu verhindern, dass sich der Z-Ring irgendwo anders als in der Mitte der Zelle bildet.

Eine Zelle muss nicht nur sicherstellen, dass sich der Z-Ring an der richtigen Stelle bildet, sondern auch die richtige Zeit erfassen, um den Z-Ring zu bilden und sich zu teilen. Dies hängt sehr stark von der Umgebung ab, in der sich die Bakterien befinden. Zum Beispiel, wenn es extrem kalt ist oder wenn es keine Nahrung gibt, wachsen Bakterien sehr langsam und müssen sich nicht sehr oft teilen. Ein guter Zeitpunkt für die Teilung von Bakterien ist, wenn viele ihrer Lieblingsspeisen wie Einfachzucker verfügbar sind. In dieser Situation wachsen die Bakterienzellen schneller und beginnen sich sehr schnell zu teilen, um sicherzustellen, dass so viele neue Bakterien wie möglich produziert werden, bevor die Nahrung aufgebraucht ist. Aber die Frage ist — wie spüren die Bakterien die Anwesenheit von Nahrung in ihrer Umgebung und nutzen diese Informationen, um Wachstum und Zellteilung zu beschleunigen? Diese Frage wollten wir in unserer Studie beantworten.

Unsere Studie — Bakteriennahrung dient nicht nur der Energie, sie bewirkt auch mehr……

Nahrung wird innerhalb einer Zelle abgebaut, um Energie und Bausteine für das Wachstum der Zelle herzustellen, und der Prozess, der dies tut, wird als Stoffwechsel bezeichnet. Mit anderen Worten, die Frage, die wir in unserer Studie gestellt haben, war: Wie hängt der Stoffwechsel mit der Zellteilung in Bakterien zusammen? Zuerst müssen wir Ihnen ein wenig darüber erzählen, wie der Stoffwechsel funktioniert. Enzyme sind winzige Bestandteile in Zellen, die alle chemischen Reaktionen ausführen, die zum Abbau von Nahrungsmitteln während des Stoffwechsels erforderlich sind. Glukose, ein einfacher Zucker, der aus der Nahrung stammt, die Bakterien essen, wird von Enzymen in einer Reihe von Schritten abgebaut, die zusammen als Glykolyseprozess bezeichnet werden (orangefarbenes Feld in Abbildung 2A). Der letzte Schritt der Glykolyse erzeugt eine Verbindung namens Pyruvat, die zur Erzeugung von Energie und Bausteinen für das Wachstum der Zelle verwendet wird.

Wie bereits erwähnt, bildet eine gesunde Bakterienzelle einen Z-Ring in der Mitte der Zelle (Abbildung 2B). In unserer Studie haben wir festgestellt, dass, wenn das Enzym, das den letzten Schritt der Glykolyse durchführt, fehlt (was bedeutet, dass Bakterien ihre Nahrung nicht mehr richtig verarbeiten), die Bakterienzelle beginnt, den Z-Ring an anderen Stellen als der Mitte zu bilden. Wie Sie in Abbildung 2C sehen können, bilden Zellen, denen das Enzym fehlt, das am letzten Schritt der Glykolyse beteiligt ist, Z-Ringe an einem Ende der Zelle. Das sind schlechte Nachrichten, und diese Zellen teilen sich falsch und produzieren eine große Zelle und eine andere sehr kleine Zelle, die keine DNA enthält und daher nicht mehr überleben kann. Dieses Ergebnis zeigte uns, dass dieser letzte Schritt der Glykolyse für die korrekte Positionierung des Z-Rings in der Mitte der Zelle sehr wichtig ist.

Wir haben uns dann gefragt, ob diese Änderung der Position des Z-Rings auftritt, weil das Enzym, das am letzten Schritt der Glykolyse beteiligt ist, fehlt oder weil die von diesem Enzym produzierte Verbindung Pyruvat fehlt? (siehe Abbildung 2A). Wir testeten diese Möglichkeit, indem wir das Enzym entfernten, so dass Bakterienzellen Pyruvat nicht mehr selbst produzieren konnten, und fügten dann Pyruvat als Teil der Nahrungsquelle der Bakterien hinzu. Normalerweise bilden Zellen, denen das Enzym fehlt, das Pyruvat erzeugt, Z-Ringe gegen die Enden der Zellen, aber als Pyruvat wieder hinzugefügt wurde, begannen die Bakterien, die Z-Ringe in der Mitte der Zelle zu bilden, wie es gesunde Bakterienzellen tun. Schauen Sie sich die verschiedenen Positionen von Z—Ringen in Zellen an, denen das Enzym fehlt, das am letzten Schritt der Glykolyse beteiligt ist, und wenn Pyruvat wieder zu diesen Zellen hinzugefügt wird, in Abbildungen 2C,D. Dieses Ergebnis bestätigte, dass nicht das Enzym selbst für die Position des Z-Rings wichtig ist, sondern sein Produkt – Pyruvat. Dies war das erste Mal, dass ein Zusammenhang zwischen einer Chemikalie, die an der Glykolyse und der Zellteilung beteiligt ist, gezeigt wurde, und so wurde Pyruvat dann zum Schwerpunkt unserer weiteren Experimente.

Wie entscheidet die Verfügbarkeit von Lebensmitteln über die Z-Ring-Position?

Mit der Erkenntnis, dass Pyruvat für die Z-Ring-Bildung in der Mitte der Zelle wichtig ist, wurden wir noch neugieriger zu verstehen, wie die Prozesse des Stoffwechsels und der Zellteilung kommunizieren. Wir wissen, dass Pyruvat, wenn es produziert wird, von einem anderen Enzym verwendet wird, um Energie in der Zelle zu produzieren. Wir fragten uns, ob sich dieses zweite Enzym an einer bestimmten Stelle in einer Bakterienzelle befand, was dazu beiträgt, dass sich der Z-Ring in der Mitte bildet.

Indem wir sowohl die DNA als auch das Enzym „leuchten“ lassen, können wir mit einem Mikroskop sehen, wo sie sich in der Zelle befinden. Bei gesunden Bakterien fanden wir heraus, dass sich das Enzym und die DNA an derselben Stelle befanden, wo beide als runde Blobs in der Zelle gesehen werden konnten (Abbildung 3). In Zellen, die kein Pyruvat produzieren konnten, stellten wir fest, dass das Enzym nicht mehr an der gleichen Stelle wie die DNA vorhanden war, sondern sich das Enzym zu den beiden Enden der Zelle bewegte. Dies ist der gleiche Ort, an dem sich Z-Ringe in den Zellen bilden, die sich nicht richtig teilen. Wir wissen bereits, dass das Hinzufügen von Pyruvat zu diesen Zellen den Z-Ring wieder in die Mitte der Zelle verschiebt, also fragten wir uns, ob Pyruvat auch die Position des Enzyms zurück dorthin ändern würde, wo die DNA gefunden wurde. Genau das ist passiert! Diese Ergebnisse zeigten, dass Pyruvat für die korrekte Positionierung des Z-Rings in der Mitte der Zelle wichtig ist, und Pyruvat tut dies irgendwie, indem es mit dem Enzym arbeitet, das Pyruvat zur Energiegewinnung verwendet. Dies ist sinnvoll, da Pyruvat und das Enzym auf demselben Weg zusammenarbeiten.

Unsere Ergebnisse zeigten, dass Stoffwechsel und bakterielle Zellteilung über Pyruvat (und das Enzym, das Pyruvat zur Energieerzeugung verwendet) miteinander kommunizieren, um sicherzustellen, dass sich der Z-Ring an der richtigen Stelle bildet. In gut genährten Bakterien (die Pyruvat richtig herstellen können) befindet sich das Enzym an derselben Stelle wie die DNA in der Zelle. An dieser Stelle scheint das Enzym dabei zu helfen, dass sich der Z-Ring in der Mitte der Zelle bildet, sodass sich die Zelle korrekt teilt. Wenn Zellen jedoch kein Pyruvat herstellen, landet das Enzym an der falschen Stelle, ebenso wie der Z-Ring (in Richtung der Zellenden). Wenn also Lebensmittel nicht richtig verarbeitet werden und Pyruvat nicht produziert wird, beginnen Bakterien Fehler im Zellteilungsprozess zu machen. Dies ist ähnlich wie bei Menschen mit Laktoseintoleranz. Wenn sie Milch trinken, können sie Laktose nicht richtig verarbeiten und werden daher krank. Die Fähigkeit, Lebensmittel richtig zu verarbeiten und gesund zu sein, ist also für alle Lebewesen sehr wichtig. Wenn Lebensmittel nicht so verarbeitet werden, wie es in Bakterien sein sollte, bildet sich der Z-Ring an Stellen, an denen dies nicht der Fall sein sollte, wodurch sich die Zellen falsch teilen und die Anzahl der Bakterien verringert wird, von denen die Bakterienpopulation überleben kann. Dieser Fehler bei der Teilung kann behoben werden, indem Bakterien die richtige Nahrung gegeben wird (Zugabe von Pyruvat zurück), was zeigt, dass die Art und Weise, wie Bakterien die Nahrung in ihrer Umgebung verwenden, entscheidend für ihre Fähigkeit ist, zu wachsen und sich zu teilen.

Warum interessieren wir uns für die Verbindung zwischen Stoffwechsel und Teilung?

Die Frage, die wir in dieser Studie stellten, lautete: Wie spüren Bakterien die Verfügbarkeit von Nahrungsmitteln in der Umwelt und wie beeinflusst das Vorhandensein von Nahrungsmitteln den Prozess der Zellteilung? Wenn Nahrung leicht zu finden ist, wachsen und teilen sich Bakterien sehr schnell, aber sie teilen sich viel langsamer, wenn Nahrung knapp ist. Wie sich Bakterien bei unterschiedlichen Nahrungsmengen unterschiedlich schnell teilen, ist nicht bekannt. Indem wir mehr darüber verstehen, wie Bakterien verfügbare Nahrungsquellen wahrnehmen können, insbesondere während einer Infektion, und wie die Erfassung von Lebensmitteln das Bakterienwachstum steuert, können wir verhindern, dass Bakterien die richtige Art von Nahrung erhalten oder ihre Nahrung richtig verarbeiten können, was sie davon abhalten kann sich teilen und verhindern, dass sie Infektionen verursachen. Dies liegt daran, dass Bakterien nicht richtig wachsen können, wenn sie nicht die richtige Nahrung erhalten oder Lebensmittel nicht richtig verarbeiten. Dies ist ähnlich wie beim Menschen – wir essen gutes Essen, um gesund zu bleiben, und wenn wir nicht das richtige Essen essen, können wir krank werden. Daher gilt der Satz „Wir sind, was wir essen“ gleichermaßen für Bakterien und Menschen. Aus dieser Studie haben wir eine aufregende neue Verbindung zwischen bakteriellem Stoffwechsel und Zellteilung gefunden. Aber diese Prozesse sind sehr komplex und wir haben gerade erst an der Oberfläche gekratzt, um diesen Zusammenhang zu verstehen — der nächste Schritt wird also sein, dieses Rätsel zu lösen.

Zu Beginn dieses Artikels haben wir über das Thema Antibiotikaresistenz gesprochen. Was hat der Zusammenhang zwischen Stoffwechsel und Zellteilung mit Antibiotikaresistenzen zu tun? Um das Problem der Antibiotikaresistenz anzugehen, müssen wir neue Antibiotika entwickeln, die auf unerforschte Aspekte des Bakterienwachstums und des Überlebens abzielen. Viele der derzeit verfügbaren Antibiotika zielen auf Prozesse ab, mit denen Bakterien entweder DNA, Proteine oder die äußere Schicht der Bakterienzelle herstellen. Diese Antibiotika waren sehr erfolgreich, aber Bakterien haben Taktiken entwickelt, um diese Prozesse auch in Gegenwart von Antibiotika fortzusetzen. In dieser Arbeit identifizierten wir einen neuen Zusammenhang zwischen Stoffwechsel und Zellteilung in Bakterien, der als Ziel für neue Antibiotika dienen könnte. Wenn wir Bakterien daran hindern könnten, Pyruvat herzustellen, oder ändern könnten, wo sich das Enzym, das Pyruvat verwendet, in der Zelle befindet, werden sowohl der Stoffwechsel als auch die Zellteilung gestört und die Zellen sterben ab. Wenn ein Antibiotikum hergestellt werden kann, das auf zwei verschiedene Prozesse abzielt, die für das Überleben der Bakterien wichtig sind (Stoffwechsel und Zellteilung), wird es für die Bakterienzelle schwieriger, gegen dieses Antibiotikum resistent zu werden, da sie Taktiken entwickeln muss, um die Wirkung des Antibiotikums auf beide Prozesse zu überwinden. Antibiotikaresistenz für eine Bakterienzelle viel schwieriger zu erreichen, wird hoffentlich eine neue Lösung zur Bekämpfung von Antibiotikaresistenzen bieten.

Glossar

Bakterielle Zellteilung: Der Prozess der Spaltung einer Bakterienzelle in zwei Zellen.

DNA: Der Code in einer Zelle, der alle Informationen enthält, die eine Zelle zum Überleben benötigt.

Stoffwechsel: Alle chemischen Prozesse, die an der Umwandlung von Nahrung in Energie beteiligt sind, werden zusammen als Stoffwechsel bezeichnet.

Enzym: Eine biologische Komponente, die dazu beiträgt, dass eine Reaktion schnell abläuft.

Glukose: Ein einfacher Zucker.

Glykolyse: Ein Weg, der Glukose in zwei Moleküle Pyruvat aufspaltet.

Pyruvat: Eine chemische Verbindung, die entsteht, nachdem Glukose abgebaut (metabolisiert) wurde.

Interessenkonflikterklärung

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Danksagungen

RM wird durch ein Stipendium des Australian Government Research Training Program unterstützt. AB und EH werden von einem Australian Research Council Discovery Project Grant DP150102062 unterstützt.

Ursprünglicher Quellartikel

Monahan, L. G., Hajduk, I. V., Blaber, S. P., Charles, I. G. und Harry, E. J. 2014. Koordination der bakteriellen Zellteilung mit Nährstoffverfügbarkeit: eine Rolle für die Glykolyse. mBio 5(3):1-13. doi:10.1128/mBio.00935-14