Two actinobacterial G protein systems control multicellular mycelial growth and morphology in Streptomyces venezuelae

Bakterien werden oft als einsame Wanderer vorgestellt, als einzelne Zellen, die durch ihre Umgebung treiben und für sich allein sich teilen. Doch viele Bakterien leben als riesige, kooperative Gemeinschaften und bilden komplizierte Netzwerke, die den Wurzeln einer Pflanze oder den Fäden eines Spinnennetzes ähneln. Zu diesen gehören die Streptomyceten, eine Gruppe bodenbewohnender Bakterien, die als lange, verzweigte Filamente namens Hyphen wachsen. Diese Filamente verweben sich zu einem mehrzellulären Myzel, einem lebenden Geflecht, das den Boden nach Nährstoffen absucht. Damit dieses Netzwerk funktionieren kann, müssen die einzelnen Filamente ihr Wachstum koordinieren. Sie müssen wissen, wohin sie sich ausdehnen sollen, wann sie verzweigen und vor allem, wie sie vermeiden können, gegeneinander zu stoßen, was ein wirres, ineffizientes Durcheinander erzeugen würde. Diese Koordination erfordert ein ausgeklügeltes internes Kommunikationssystem, eine Möglichkeit für die Zellen, ihre Nachbarn wahrzunehmen und ihre Form sowie Richtung entsprechend anzupassen.

Im Boden, wo Nahrung oft knapp und ungleich verteilt ist, ist die Fähigkeit, ein mehrzelluläres Netzwerk effizient zu organisieren, eine Frage des Überlebens. Wenn die Filamente wahllos wachsen, könnten sie sich gegenseitig verdrängen, Energie verschwenden und es versäumen, den Boden effektiv zu erschließen. Wissenschaftler wissen schon lange, dass Bakterien chemische Signale nutzen, um miteinander zu kommunizieren, aber die spezifischen Mechanismen, die es einem Netzwerk von Filamenten ermöglichen, eine saubere, organisierte Struktur aufrechtzuerhalten, während es über eine Oberfläche wächst, blieben ein Rätsel. Jüngste Forschungen haben sich auf einen einzigartigen Satz genetischer Werkzeuge konzentriert, die in diesen Bakterien als G-Protein-Systeme bekannt sind. Dies sind molekulare Maschinen, die wie Schalter fungieren und Gene als Reaktion auf die Umgebung an- oder ausschalten. In dem spezifischen Bakterium Streptomyces venezuelae gibt es acht verschiedene Versionen dieser Systeme, aber bis jetzt wusste niemand genau, was die meisten von ihnen taten oder wie sie den Bakterien halfen, ihre komplexen, mehrzellulären Behausungen zu bauen.

Ein Team von Forschern der Universität Lund in Schweden machte sich daran, dieses Rätsel zu lösen, indem sie jedes dieser acht genetischen Systeme systematisch nacheinander entfernten, um zu sehen, was mit den Bakterien geschah. Sie züchteten die modifizierten Bakterien auf verschiedenen Arten von Nahrung, die von nährstoffreichen Gelen bis hin zu sehr kargen, minimalen Oberflächen reichten, die die harten Bedingungen im Boden nachahmen. Sie fanden heraus, dass zwei dieser Systeme zusammenarbeiten und als Architekten des bakteriellen Netzwerks fungieren. Als die Forscher beide dieser spezifischen Systeme entfernten, verloren die Bakterien die Fähigkeit, sich selbst zu organisieren. Anstatt sich in einer ordentlichen, gleichmäßigen Schicht auszubreiten, in der jedes Filament seinen eigenen Platz hat, begannen die mutierten Bakterien, zu verklumpen. Ihre Filamente klebten aneinander und bildeten dicke, seilartige Bündel, die eher wie ein verheddertes Wollknäuel aussah als wie ein feines Netz.

Dieses Verklumpungsverhalten war nicht nur eine Frage davon, dass die Bakterien zufällig aneinander klebten. Die Forscher beobachteten, dass die mutierten Filamente in geraden, starren Linien wuchsen, während die Wildtyp-Bakterien in sanften, gewundenen Kurven wuchsen. Die Wildtyp-Bakterien schienen ihre Nachbarn aktiv zu meiden und wuchsen in die leeren Räume zwischen anderen Filamenten, um die Oberfläche gleichmäßig zu erschließen. Diese „Selbstvermeidung“ ermöglichte es ihnen, die verfügbare Nahrung effizienter zu erschließen. Die Mutanten, denen diese zwei Schlüssel-Gensysteme fehlten, verloren diese Fähigkeit. Sie wuchsen geradeaus und blieben an allem fest, was sich in der Nähe befand, einschließlich anderer mutierter Filamente und sogar der Wildtyp-Filamente, mit denen sie nebeneinander gezüchtet wurden. Die Forscher testeten, ob die Bakterien unsichtbare Chemikalien in die Luft oder das Wasser abgaben, die dieses Kleben verursachten, fanden jedoch keine Hinweise auf solche Signale. Stattdessen schien das Problem den mutierten Zellen selbst eigen zu sein; ihre Oberflächen hatten sich verändert, wodurch sie klebrig wurden und zur Verklumpung neigten.

Durch die Untersuchung der Gene, die in den mutierten Bakterien aktiv waren, entdeckten die Wissenschaftler, warum dies geschah. Die Mutanten hatten die Lautstärke einer großen Gruppe von Genen hochgedreht, die für den Aufbau der Zellwand und die Produktion von zuckerhaltigen Beschichtungen auf der Außenseite der Zelle verantwortlich sind. Diese Überproduktion von Oberflächenmaterialien machte die Filamente wahrscheinlich klebrig, was dazu führte, dass sie aneinander hafteten. Doch die Geschichte endete nicht mit dem mikroskopischen Verklumpen. Die Forscher bemerkten auch, dass sich die Mutanten auf einer größeren Ebene anders verhielten. Während die Wildtyp-Bakterien sich als dünner, kahler Film über die Oberfläche der Schale ausbreiteten – ein Verhalten, das als exploratives Wachstum bekannt ist –, versagten die Mutanten dabei. Stattdessen bildeten sie dichte, flauschige Kolonien, die so aussah, als versuchten sie, in die Luft zu wachsen, selbst wenn die Bedingungen dafür nicht günstig waren.

Um zu verstehen, warum die Mutanten beim Erkunden scheiterten, suchten die Forscher nach Bakterien, die das Problem spontan behoben hatten. Sie fanden heraus, dass einige der mutierten Bakterien neue Mutationen erworben hatten, die es ihnen ermöglichten, sich wieder auszubreiten, fast wie der Wildtyp. Als sie die DNA dieser „Suppressor“-Bakterien analysierten, fanden sie heraus, dass die Korrektur oft mit Veränderungen an einem anderen Satz von Genen zusammenhing, die ein chemisches Signal namens Cyclisches Di-GMP steuern. Dieses Signal ist ein Hauptregulator, der den Bakterien mitteilt, wann sie aufhören sollen zu wachsen und mit der Sporenbildung zu beginnen. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die ursprünglichen Mutanten zu schnell wuchsen und zu früh reiften. Weil sie damit eilig waren, Sporen zu bilden, nahmen sie sich nie die Zeit, sich richtig über die Oberfläche auszubreiten und zu erkunden. Die zwei entfernten Gensysteme fungierten als Bremse, die die Bakterien in einem vegetativen Wachstumszustand hielt, lange genug, um ein ordentliches Netzwerk aufzubauen.

Die Studie zeigte, dass diese zwei Gensysteme zwei deutlich voneinander getrennte Aufgaben haben. Eine Aufgabe besteht darin, die physische Form der Filamente zu kontrollieren und das Zusammenkleben zu verhindern, um sicherzustellen, dass das Netzwerk offen und organisiert bleibt. Die andere Aufgabe besteht darin, die Bakterien daran zu hindern, zu schnell zu reifen, damit sie ihre Umgebung vollständig erkunden können. Die Forscher zeigten, dass sie das Problem der Exploration beheben konnten, indem sie die Reifungssignale änderten, dies jedoch das Verklumpungsproblem nicht löste. Die Filamente klebten immer noch aneinander, selbst als man den Bakterien erlaubte, länger zu wachsen. Dies bedeutet, dass die Art und Weise, wie die Bakterien ihre Form bilden, und die Art und Weise, wie sie entscheiden, wann sie wachsen oder reifen, von unterschiedlichen Pfaden gesteuert werden, obwohl beide vom selben Paar von Gensystemen verwaltet werden.

Diese Arbeit liefert ein klares Bild davon, wie ein einfaches Bakterium die komplexe Aufgabe bewältigt, als mehrzellige Gemeinschaft zu leben. Sie zeigt, dass die Bakterien nicht einfach zufällig wachsen; sie nutzen spezifische genetische Werkzeuge, um ihre Umgebung wahrzunehmen, ihre Form anzupassen und mit ihren Nachbarn zu koordinieren. Oh\ne diese Werkzeuge kollabiert das Netzwerk zu einem verhedderten Durcheinander, und die Kolonie versäumt es, ihre Umgebung effektiv zu erschließen. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Fähigkeit, eine saubere, organisierte Struktur aufrechtzuerhalten, für das Überleben der Bakterien ebenso wichtig ist wie die Fähigkeit, Nahrung zu finden. Durch das Verständnis dieser Mechanismen können Wissenschaftler beginnen zu begreifen, wie diese uralten Organismen dazu evolviert sind, in der komplexen, kompetitiven Welt des Bodens zu gedeihen und dabei komplizierte Städte aus Filamenten zu bauen, die weitaus organisierter sind, als man es zuvor angenommen hatte.