Intrinsic timekeeping in Escherichia coli

Die meisten Lebewesen, von den kleinsten einzelligen Organismen bis hin zu komplexen Tieren, besitzen einen internen Zeit Sinn. Diese biologische Uhr ermöglicht es ihnen, vorhersehbare Veränderungen in ihrer Umgebung zu antizipieren, wie etwa den Sonnenaufgang oder das Abkühlen der Nachtluft, anstatt lediglich auf sie zu reagieren, wenn sie bereits eingetreten sind. Beim Menschen und anderen Tieren koordinieren diese Uhren den Schlaf, den Stoffwechsel und die Immunfunktion, um sicherzustellen, dass sich widersprüchliche Aktivitäten nicht gleichzeitig ereignen. Jahrzehntelang glaubten Wissenschaftler, dass diese Fähigkeit, die Zeit zu messen, auf Organismen mit komplexen Nervensystemen oder solche beschränkt sei, die Photosynthese betreiben, wie etwa Pflanzen und bestimmte Bakterien, die Sonnenlicht nutzen. Nicht-photosynthetische Bakterien, die einen großen Teil der mikrobiellen Welt ausmachen, wurden allgemein als unfähig angesehen, über diesen internen Zeitmessmechanismus zu verfügen, und stattdంss auf einer einfachen, reaktiven Basis operierten.

Ein Team von Forschern hat nun entdeckt, dass diese Annahme nicht korrekt ist. Sie fanden heraus, dass Escherichia coli, ein häufiges Bakterium, das oft im menschlichen Darm vorkommt, die intrinsische Fähigkeit besitzt, die Zeit zu messen. Dieses Bakterium reagiert nicht nur auf seine Umgebung; es kann einen täglichen Rhythmus erlernen und diesen auch dann weiterverfolgen, wenn die externen Reize entfernt werden. Die Studie zeigt, dass diese Bakterien ein spezifisches internes Signalsystem nutzen, um den Fortlauf der Zeit zu verfolgen, was es ihnen ermöglicht, sich auf tägliche Temperaturänderungen vorzubereiten, bevor diese eintreten. Dieser Befund legt nahe, dass die Fähigkeit, die Zukunft zu antizipieren, in der mikrobiellen Welt weitaan mehr verbreitet ist als bisher angenommen, und stellt die lang gehegte Sichtweise infrage, dass Zeitmessung ein Merkmal ist, das komplexeren Lebensformen vorbehalten ist.

Die Forscher begannen ihre Untersuchung mit der Beobachtung des Verhaltens von E. coli in einer kontrollierten Umgebung. Sie züchteten die Bakterien in dünnen, kreisförmigen Kolonien auf einem speziellen Gel, das einen roten Farbstoff enthielt. Dieser Farbstoff bindet an eine klebrige Substanz namens Curli, die die Bakterien produzieren, um ihnen zu helfen, an Oberflächen zu haften und schützende Gemeinschaften, bekannt als Biofilme, zu bilden. Die Wissenschaftler wussten, dass die Produktion von Curli empfindlich auf die Temperatur reagiert, also platzierten sie die Bakterienkolonien in einem Inkubator, der zwischen zwei Temperaturen wechselte: einem kühleren 25,5 Grad Celsius und einem etwas wärmeren 28,5 Grad Celsius. Sie änderten die Temperatur alle zwölf Stunden, um einen Tag-Nacht-Zyklus nachzuahmen.

Während die Bakterien von der Mitte der Platte nach außen wuchsen, hinterließen sie eine sichtbare Aufzeichnung ihrer Aktivität. Wenn die Bakterien Curli produzierten, färbte der rote Farbstoff den Bereich ein und erzeugte einen dunklen Ring. Wenn sie aufhörten, es zu produzieren, blieb der Ring klar. Wenn die Bakterien lediglich auf die Temperatur reagieren würden, müssten die dunklen Ringe genau dann erscheinen, wenn sich die Temperatur ändert. Die Forscher beobachteten jedoch etwas anderes. Über mehrere Tage hinweg begannen die Bakterien, ihr Verhalten zu ändern. Sie begannen, die klebrige Curli-Substanz etwa sechs Stunden vor der geplanten Temperaturerhöhung zu produzieren. Diese Verschiebung vom Reagieren zum Antizipieren ist ein Kennzeichen einer echten biologischen Uhr. Die Bakterien hatten ihren internen Rhythmus mit dem externen Temperaturzyklus synchronisiert und effektiv den Zeitplan gelernt.

Um zu beweisen, dass dieser Rhythmus intern und nicht nur eine kontinuierliche Reaktion auf die Umgebung war, führten die Wissenschaftler einen entscheidenden Test durch. Nachdem sie die Temperatur drei Tage lang zyklisch verändert hatten, ließen sie die Bakterien bei einer konstanten, unveränderten Temperatur. Wenn die Bakterien lediglich auf die Hitze reagiert hätten, hätte das Muster der Ringe sofort aufhören müssen. Stattdessen produzierten die Bakterien die klebrige Substanz für mindestens drei weitere Tage in einem rhythmischen Muster weiter. Sie hielten einen stetigen Takt von etwa vierundzwanzig Stunden ein, selbst als die Außenwelt verstummt war. Dieses Phänomen, bekannt als freilaufender Rhythmus, bestätigte, dass die Bakterien nach einer internen Uhr liefen, die durch die vorangegangenen Temperaturänderungen eingestellt worden war.

Das Team untersuchte dann, wie die Bakterien in der Lage sind, zwei gegensätzliche Verhaltensweisen zu koordinieren: an einer Oberfläche haften und sich bewegen. Bakterien nutzen peitschenartige Schwänze namens Flagellen, um zu günstigeren Bedingungen zu schwimmen, aber sie müssen das Schwimmen stoppen und eine klebrige Oberfläche aufbauen, um eine stabile Gemeinschaft zu bilden. Diese beiden Aktivitäten schließen einander aus; ein Bakterum kann nicht beides gleichzeitig tun. Die Forscher fanden heraus, dass die Bakterien diese Aufgaben zeitlich trennten. Wenn die Bakterien am aktivsten in der Produktion des klebrigen Curli zur Adhäsion waren, waren die Gene, die für den Bau der schwimmenden Flagellen verantwortlich sind, ruhig. Umgekehrt, wenn die Bakterien sich darauf vorbereiteten zu schwimmen, stoppte die Produktion der klebrigen Substanz. Diese Trennung stellte sicher, dass die Bakterien keine Energie verschwendeten, indem sie versuchten, gleichzeitig widersprüchliche Aufgaben auszuführen – eine Strategie, die der des Menschen ähnelt, der nachts schläft und tagsüber aktiv ist.

Um die Mechanik hinter dieser Uhr zu verstehen, wandten sich die Forscher an die Genetik. Sie untersuchten ein spezifisches Kommunikationssystem innerhalb der Bakterien, das Rcs-Phosphorelay genannt wird. Dieses System fungiert wie ein Staffellauf, bei dem ein chemisches Signal vom äußeren Rand der Zelle zum inneren Kontrollzentrum weitergegeben wird, um den Bakterien mitzuteilen, was sie tun sollen. Durch die Erstellung von Bakterien mit defekten Teilen dieses Systems entdeckten die Wissenschaftler, dass der Rcs-Pfad essenziell für die Funktion der Uhr war. Oh heavy den spezifischen Bestandteil dieses Relay-Systems fehlte, konnten die Bakterien die Temperaturänderungen zwar noch wahrnehmen, verloren aber die Fähigkeit, den Rhythmus beizubehalten, sobald die Temperatur konstant blieb. Dies deutete darauf hin, dass der Zeitmessmechanismus selbst innerhalb dieses Signalpfads lokalisiert war.

Die Studie untersuchte auch, wie die Bakterien das erste Signal erhielten, um ihre Uhren einzustellen. Sie identifizierten ein separates System namens BluFR, das als Sensor für sowohl blaues Licht als auch niedrige Temperaturen fungiert. Dieser Sensor speist Informationen in das Rcs-Relay ein. Die Forscher fanden heraus, dass das BluFR-System die Umweltveränderungen zwar verfolgte, aber den Rhythmus nicht allein aufrechterhalten konnte. Stattdessen fungierte es als Input, der die interne Rcs-Uhr synchronisierte. In einer eindrucksvollen Demonstration zeigten die Wissenschaftler, dass sie die Uhr der Bakterien allein durch Licht zurücksetzen konnten. Indem sie die Bakterien Lichtzyklen aus blauem Licht und Dunkelheit aussetzten, konnten sie dieselben rhythmischen Muster der Produktion der klebrigen Substanz induzieren, was bewies, dass die Bakterien Licht als Zeitreiz nutzen können, genau wie sie es mit der Temperatur taten.

Schließlich verglichen die Forscher die Struktur des bakteriellen Zeitsystems mit den bekannten Uhren in photosynthetischen Bakterien, die die einzigen anderen Bakterien sind, die eine definierte molekulare Uhr besitzen. Trotz keiner gemeinsamen genetischen Geschichte sahen die Proteine im Zeitsystem von E. coli in ihrer dreidimensionalen Form den Proteinen der photosynthetischen Uhr verblüffend ähnlich. Beide Systeme nutzen eine Serie von chemischen Schaltern und strukturellen Domänen, um Informationen zu verarbeiten und einen Rhythmus zu erzeugen. Dies deutet darauf hin, dass die Natur möglicherweise auf ähnliche Weise zur gleichen Lösung für die Zeitmessung gelangt ist, indem sie vergleichbare architektonische Prinzipien nutzt, um das Problem der Antizipation täglicher Zyklen zu lösen.

Diese Entdeckung verändert unser Verständnis des bakteriellen Lebens grundlegend. Sie zeigt, dass selbst ein einfacher Organismus wie E. coli lernen kann, einen Zeitplan zu kennen, sich diesen zu merken und im Voraus danach zu handeln. Die Fähigkeit, Umweltveränderungen zu antizipieren, bietet wahrscheinlich einen Überlebensvorteil, da sie es Bakterien ermöglicht, sich auf die Herausforderungen des Tages vorzubereiten, bevor diese eintreffen. Durch die Identifizierung der spezifischen Gene und Proteine, die für diese Zeitmessung verantwortlich sind, haben die Forscher eine neue Tür zum Verständnis dessen geöffnet, wie Bakterien ihr Verhalten koordinieren. Dieses Wissen könnte letztendlich Wissenschaftlern helfen, vorherzusagen, wie Bakterien auf ihre Umwelt reagieren, was potenziell zu neuen Wegen beim Management des Bakterienwachstums in der Medizin und Industrie führen könnte. Die Studie bestätigt, dass die Fähigkeit, die Zeit zu messen, ein fundamentales und weit verbreitetes Merkmal in der lebendigen Welt ist, das weit über die komplexen Organismen hinausgeht, die wir jeden Tag sehen.