Freiburger Forscher entschlüsseln Prinzipien eines Signalweges in Bakterien

Chemotaktisches Netzwerk zur Futtersuche

In der aktuellen Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift Nature berichten Wissenschaftler der Universitäten Freiburg und Heidelberg über evolutionäre Strategien lebender Zellen, externe Informationen auch in Gegenwart von starken Störungen präzise zu verarbeiten.

Einzellige Organismen wie Bakterien können sich ohne ausreichende Nahrung nicht fortpflanzen. Einen evolutionären Vorteil haben dabei Bakterienstämme, die aktiv nach ihrer Nahrung suchen. Dazu verfügen viele Bakterienarten über ein informationsverarbeitendes Protein-Netzwerk, den so genannten chemotaktischen Apparat, der es ihnen erlaubt, die Quellen von Nahrung präzise zu lokalisieren. Informationen über zeitliche Änderungen in der Nahrungskonzentration nehmen Bakterien dabei über spezielle Rezeptoren an der Zelloberfläche wahr, welche die Information durch Aktivierung eines Proteins im Zellinneren weitergeben. Die Konzentration der aktivierten Proteine entscheidet über das Schwimmverhalten des Bakteriums. In diesem chemotaktischen Netzwerk können die zufälligen Variationen in den Konzentrationen der beteiligten Proteine die Informationsübertragung und -verarbeitung empfindlich stören. Die Richtung von erhöhter Nahrungskonzentration kann mitunter nicht mehr wahrgenommen werden kann. Das hat zum Teil drastische Konsequenzen für die Wachstumsgeschwindigkeit der Population. Wie Markus Kollmann vom Institut für Physik in Freiburg und Victor Sourjik vom Zentrum für Molekularbiologie Heidelberg zusammen mit ihren Mitarbeitern am Beispiel des Bakteriums Escherichia Coli zeigen konnten, besitzt die Struktur dieses Netzwerkes Komponenten, welche die Natur eigens für die Kompensation von diesen Variationen in Proteinkonzentrationen entwickelt hat.

In den Experimenten haben die Forscher die an der Chemotaxis beteiligten Proteine mit einem fluoreszierenden Molekül versehen, was eine präzise Bestimmung ihrer Konzentrationen ermöglichte. Mit gezielten Genmanipulationen wurden diese Proteinkonzentrationen variiert und damit konnte deren Wirkung auf das Schwimmverhalten der Bakterien genau mitverfolgt und studiert werden. Ausgangspunkt der theoretischen Analyse dieser Messungen war das Wissen um einen sehr starken evolutionären Druck auf Bakterien, ihre Nahrung mit immer höherer Genauigkeit zu lokalisieren.

Dieser Druck hat die Struktur des chemotaktischen Netzwerks ganz wesentlich geformt und führte zu speziellen Designprinzipien, die – und das ist das wesentliche Ergebnis dieser Arbeit – das Netzwerk unempfindlich gegen Störungen seiner Komponenten machten. Die Natur bediente sich dabei ganz ähnlicher Prinzipien wie sie Ingenieure verwenden, um Prozesse möglichst genau zu regulieren – durch Rückkopplung des Ausgangssignals auf das Eingangssignal. Interessanterweise finden sich die entsprechenden Prinzipien dieses so genannten robusten Netzwerkdesigns in allen bekannten chemotaktischen Bakterienarten wieder, auch wenn sich die Funktionsweise der unterliegenden chemotaktischen Netzwerke über die Jahrmillionen stark verändert hat.

Kontakt:
Dr. Markus Kollmann
Arbeitsgemeinschaft Prof. Dr. Timmer
Institut für Physik
Hermann-Herder-Str. 3
79104 Freiburg
Tel: 0761 2035828
Email: markus.kollmann@fdm.uni-freiburg.de