#Innere Uhr auch bei Bakterien

Nicht nur Menschen, Tiere und Pflanzen haben eine innere Uhr – auch Bakterien folgen einem komplexen Tag-Nacht-Rhythmus. Das zeigt eine Studie anhand des Bodenbakteriums Bacillus subtilis. Selbst in völliger Dunkelheit werden die Gene des Bakteriums je nach Tageszeit unterschiedlich abgelesen. Weitere Erkenntnisse zur inneren Uhr bei Bakterien könnten dazu beitragen, zukünftig Antibiotika zielgerichteter einzusetzen, nützliche Bakterien unseres Mikrobioms besser zu fördern und die Produktion in der Biotechnologie an die natürlichen Zyklen der Bakterien anzupassen.

Unsere innere Uhr steuert unseren Tag-Nacht-Rhythmus. Sie bestimmt, wann wir uns müde fühlen und beeinflusst die täglichen Zyklen von Stoffwechsel, Hormonen und Immunsystem. Auch Tiere, Pflanzen und Pilze haben einen solchen inneren Taktgeber. Selbst bei Cyanobakterien, die Photosynthese betreiben und dafür auf Licht angewiesen sind, wurde eine innere Uhr nachgewiesen. Erst vor wenigen Jahren stellten Forschende auch bei anderen Bakterien im Labor fest, dass ihre Genexpression offenbar tageszeitlichen Rhythmen folgt. Wie genau die innere Uhr der Bakterien funktioniert, war allerdings bislang unklar.

Künstlicher Tag-Nacht-Rhythmus im Labor

Ein Team um Francesca Sartor von der Ludwig-Maximilians-Universität München hat nun den Tag-Nacht-Rhythmus des Bodenbakteriums Bacillus subtilis genauer unter die Lupe genommen. Dabei verwendeten sie sowohl Laborstämme des Bakteriums als auch zwei Wildformen, die aus Bodenproben aus Slowenien und Dänemark stammten und zuvor noch nicht auf eine etwaige innere Uhr untersucht worden waren. Um die Genexpression der Bakterien sichtbar zu machen, fügten die Forschenden ein Gen für das Enzym Luciferase in das Bakteriengenom ein. Wurde das entsprechende Gen abgelesen, zeigte sich ein grünliches Leuchten.

Sartor und ihr Team stellten die innere Uhr der Bakterien auf die Probe, indem sie sie unter verschiedenen Bedingungen kultivierten. Mal hatten sie einen normalen Tag-Nacht-Rhythmus mit zwölf Stunden Licht und zwölf Stunden Dunkelheit, mal wurden sie über Tage hinweg in dauerhafter Dunkelheit gehalten, mal verkürzten die Forschenden den Wechsel von Licht und Dunkelheit auf Phasen von jeweils nur sechs Stunden.

Ähnlichkeiten zu komplexen Organismen

„Auch in vollständiger Dunkelheit stellten wir bei den Bakterien 24-stündige Rhythmen fest, und zwar sowohl bei den Laborstämmen, als auch bei den Wildisolaten“, berichtet das Forschungsteam. Dabei wurden Proteine, die auf Licht reagieren, gemäß einem tageszeitlichen Rhythmus produziert – obwohl die Bakterien in der Dunkelheit keine entsprechenden äußeren Reize bekamen. Beim Laborstamm nahm diese tageszeitlich gesteuerte Genaktivität nach etwa drei Tagen in der Dunkelheit deutlich ab, bei den Wildstämmen hingegen war sie auch nach fünf Tagen Dunkelheit noch nachweisbar. „Dies deutet darauf hin, dass die zirkadianen Rhythmen und ihre Fähigkeit, sich auf Lichtzyklen einzustellen, eine allgemeine Eigenschaft von B. subtilis sind und nicht auf ein einzelnes Laborderivat beschränkt sind“, schreibt das Team.

Setzten die Forschenden die Bakterien einem verkürzten Tag-Nacht-Rhythmus aus, passte sich die Genexpression weitgehend an diesen neuen Rhythmus an und behielt ihn sogar einige Tage nach Abschluss der Behandlung bei. Ähnliche sogenannte Nacheffekte wurden bereits bei Nagern berichtet, deren innere Uhr auf ähnliche Weise durcheinandergebracht wurde. „Es ist erstaunlich, dass ein einzelliger Organismus mit einem so kleinen Genom eine zirkadiane Uhr mit einigen Eigenschaften hat, die an Uhren in komplexeren Organismen erinnern“, sagt Co-Autor Antony Dodd vom John Innes Centre in Norwich.

Anwendungsmöglichkeiten in Medizin und Biotechnologie

Weitere Erkenntnisse über die innere Uhr bei Bakterien könnten in zahlreichen für den Menschen relevanten Bereichen zur Anwendung kommen. „Wir könnten uns das Wissen über die Uhr zunutze machen, um Verbesserungen im medizinischen Bereich zu erzielen oder um die Nachhaltigkeit der Lebensmittelproduktion oder der Biotechnologie zu erhöhen“, sagt Sartors Kollegin Martha Merrow. Beispielsweise wäre es denkbar, Antibiotika gezielt zu bestimmten Zeiten zu verabreichen, in denen die Bakterien besonders anfällig dafür sind. Auch unser eigenes Mikrobiom könnten wir im Wissen um seine innere Uhr womöglich besser fördern.

Für die weitere Erforschung zirkadianer Rhythmen bei Bakterien halten Sartor und ihr Team Bacillus subtilis für einen geeigneten Modellorganismus. In zukünftigen Studien wollen sie unter anderem herausfinden, welchen Einfluss die multizelluläre Organisation, beispielsweise in einem Biofilm aus einer Vielzahl einzelner Bakterien, auf die innere Uhr der beteiligten Bakterien hat.

Quelle: Francesca Sartor (Ludwig-Maximilians-Universität München) et al., Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adh1308

© wissenschaft.de – Elena Bernard