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Gott würfelt nicht – Bakterien vielleicht schon?

Im genetischen Material sind viele Eigenschaften eines Lebewesens codiert. Darunter fallen nicht nur die Art, der ein Organismus angehört, sondern auch Aspekte des Erscheinungsbildes: Beim Mensch etwa wird die Augenfarbe in der DNA codiert.
Selbst bei identischem Genmaterial von eineiigen Zwillingen gibt es jedoch äußerliche Unterschiede, wie zum Beispiel die Fingerabdrücke oder das Vorhandensein von Leberflecken. Man spricht hier von identischen Genotypen (dieselben Gene) beziehungsweise verschiedenen Phänotypen (verschiedenes Erscheinungsbild). Ursache hierfür ist eine unterschiedliche Kombination von aktiven Genen, die tatsächlich die Herstellung von Proteinen auslösen. Welche Gene aktiviert sind hängt von vergangenen und derzeitigen Umwelteinflüssen und zufälligen Fluktuationen ab.

Bei einzelligen Organismen, wie z.B. Bakterien, ist die Bedeutung von Phänotypen weitaus wichtiger: Je nach Vorhandensein von Nährstoffen, Konkurrenz durch andere Zellen und weiteren Umwelteinflüssen können sie ihren Stoffwechsel anpassen, antibiotische Stoffe ausschütten oder auf einer andrer Weise reagieren.

Das im Erdboden lebendes Bakterium Bacillus subtilis reagiert besonders interessant auf Nährstoffmangel und Überbevölkerung: Etwa 15% der genetisch identischen Individuen erlangen die Fähigkeit, genetisches Material aus der Umgebung aufzunehmen. Diese Eigenschaft nennt man "Kompetenz". Kompetente Zellen haben eine höhere Wahrscheinlichkeit, fremde (und potentiell nützliche) Gene aufzunehmen und dadurch das Überleben der Spezies zu gewährleisten. Allerdings können neue Gene auch schädlich sein. Außerdem muss viel Energie aufgewendet werden, um die für Kompetenz nötigen Proteine herzustellen. Es ist also durchaus sinnvoll, dass nur ein Teil der gesamten Population kompetent wird.
Hier jedoch stellen sich entscheidende Fragen: Wie wird festgelegt welcher Anteil der Population kompetent wird? Wie wird der Wechsel zum kompetenten Phänotyp im einzelnen Bakterium ausgelöst?

 

 

Abbildung: © Biophysical Journal, 96, 3 (2009)

Abbildung: Bakterien im kompetenten Phänotyp produzieren ein fluoreszentes Protein. Aus der zeitabhängigen Fluoreszenz können Eigenschaften der Kompetenz-Entwicklung abgeleitet werden.
Eine vereinfachte Version des genregulatorischen Netzwerks für das Entstehen von Kompetenz ist die Grundlage für ein mathematisches Modell. Es beschreibt die zeitliche Entwicklung des zentralen Kompetenzproteins (K) und der dazugehörigen mRNA (M).
Analysiert man das Modell (rote und blaue Kurven), so finden sich stabile Phänotypen. Stochastische Computersimulationen (schwarze Kurve) erklären dann, wie das Schalten zwischen den Phänotypen von statten geht. Simulationen und Experiment stimmen hervorragend überein.

 

 

Um diese Fragen zu beantworten, haben Madeleine Leisner und Jan-Timm Kuhr vom Internationalen Doktorandenkolleg NanoBioTechnologie die Veränderung des Phänotyps in Einzelzellversuchen verfolgt und mit einem theoretischen Modell verglichen. Demnach steigt mit der Zelldichte die Wahrscheinlichkeit, eine selbstverstärkende Produktion des zentralen Kompetenzproteins auszulösen. Bei welchem Bakterium dies jedoch geschieht wird durch zufällige Fluktuationen in der Anzahl der zugehörigen mRNA bestimmt. Der relative Anteil an der Gesamtpopulation wird durch ein Zeitfenster festgelegt, in dem die Fluktuationen stark genug sind, um ein Anspringen der Proteinproduktion auszulösen. Das, in dieser gruppenübergreifenden Kooperation gefundene, nicht-lineare Modell sagt sowohl den Anteil der kompetenten Zellen, als auch die Dauer für die Änderung des Phänotyps voraus und macht den Vorgang intuitiv nachvollziehbar. Auch weitere Experimente, in denen alle Bakterien Kompetenz erlangen, lassen sich im Rahmen dieses Modells vollständig erklären.

Diese gemeinsame Arbeit von Doktoranden aus der theoretischen und experimentellen Biophysik beschreibt neue experimentelle Methoden, ein theoretisches Modell und stochastische Simulationen. Damit wurde das Umschalten von einem zum anderen Phänotyp untersucht und die zugrunde liegenden Mechanismen aufgeklärt.

 

 

Publikation:
"Kinetics of Genetic Switching into the State of Bacterial Competence"
M. Leisner, J. Kuhr, J. O. Rädler, E. Frey, B. Maier
Biophysical Journal, 96, 3 (2009)

Madeleine Leisner
Ausbildung

seit 2008
Postdoc-Stelle an der Harvard University, USA

2004 - 2008
Dissertation,
Doktorvater: Prof. Joachim Rädler, LMU München

1999 - 2004
Diplom in Biologie, University Regensburg

Ausgewählte Publikation

Leisner et al.:
"Basal expression rate of comK sets a "switching-window" into the K-stat of Bacillus subtilis"

Mol. Microbiol, 63(6) 1806-1816 (2007)

Jan-Timm Kuhr
Ausbildung

seit 2009
Doktorand in der Gruppe von
Prof. Erwin Frey, LMU München

1999 - 2006
Diplom in Physik, LMU München

2001 - 2002
Physik-Studium an der University of Nottingham

Ausgewählte Publikation

M. Leisner, J. Kuhr, J. O. Rädler, E. Frey, B. Maier:
"Kinetics of Genetic Switching into the State of Bacterial Competence"
Biophysical Journal, 96, 3 (2009)