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Das Sozialverhalten von Bakterien

Von Drandreb Earl Juanico

Mithilfe von Antibiotika sollen Infektionskrankheiten ein für alle Mal besiegt werden. Doch viele Erreger sind mittlerweile resistent geworden. Das Sozialverhalten von Bakterien könnte einen Anhaltspunkt für die Entwicklung neuartiger Antibiotika liefern.

Verschiedene Koloniemuster von Bakterien
Verschiedene Koloniemuster von
Bakterien: (links) in wachstums-
feindlicher Umgebung: geringe
Nährstoffkonzentration, fester
Nährboden; (rechts) mit guten
Wachstumsbedingungen: hohe
Nährstoffkonzentration, flüssiges
Nährmedium. Der Farbbalken zeigt
die Bakteriendichte an.

Foto: privat

Bakterien sind die wohl widerstandsfähigsten Überlebenskünstler der Welt. Dass diese Mikroorganismen sogar unempfindlich gegenüber Antibiotika sein können, schreibt man ihrer Fähigkeit zu, sich durch Kooperation neu zu organisieren. Darin liegt der Schlüssel zum Überleben der Bakterien: Ihre besondere Anpassungsfähigkeit an Umweltbedingungen zeigt sich in Koloniemustern, die sie speziell in lebensfeindlicher Umgebung anlegen. Wenn wir verstehen, wie sie kooperieren, dann können wir diese winzigen, aber zähen und sozialen Geschöpfe vielleicht doch irgendwann austricksen. Eine mögliche Anwendung dieser Forschung wäre die Entwicklung von Antibiotika, die dadurch wirken, dass sie die Kooperationsfähigkeit der Bakterien einschränken.

Etliche Mikroorganismen bewegen sich in Flüssigkeiten mithilfe von Geißeln und bilden bestimmte Koloniemuster je nach Zusammensetzung des Nährbodens. Fortbewegung ist für die Bakterien wichtig, um in verschiedenen Bereichen ihrer Umgebung Nährstoffe aufnehmen zu können, die sie für den Stoffwechsel, das Wachstum und die Vermehrung brauchen. Verfestigt man den Nährboden im Labor durch Erhöhung des Agar-Anteils, haben die Bakterien Probleme, sich mit ihren Geißeln darauf zu bewegen. Schwierig wird es für die Mikroben außerdem, wenn die Nährstoffkonzentration im Substrat zu niedrig ist, um Geißeln auszubilden. Kurzum, ein fester Nährboden mit geringer Nährstoffkonzentration ist eine wachstumsfeindliche Umgebung; dennoch gedeihen Bakterien unter diesen Bedingungen. Wie schaffen sie das, und wie können wir ihre Überlebensmechanismen hemmen, um eine antibiotische Wirkung zu erzielen?

Die evolutionäre Spieltheorie könnte helfen herauszufinden, wie Kooperation die Überlebensfähigkeit der Bakterien erhöht. Diese Theorie kombiniert Grundsätze der Darwin’schen Evolutionslehre mit der klassischen Spieltheorie: Die Darwin’sche Theorie besagt, dass langfristig die am besten angepassten Organismen überleben und sich fortpflanzen. Die klassische Spieltheorie analysiert Systeme aus mehreren Akteuren und versucht, in mathematischen Begriffen zu erfassen, wie sich verschiedene Strategien unter Konkurrenzdruck beeinflussen. Eine große Rolle spielen dabei die Begriffe Kosten und Nutzen.

Das Spiel des Lebens

Visualisierung der Kooperationslevel der Bakterien in den Koloniemustern
Visualisierung der Kooperationslevel
der Bakterien in den o.a. Kolonie-
mustern. Der Farbbalken zeigt
die Intensität der Kooperation von 0
(keine Zusammenarbeit) bis 1
(sehr intensive Zusammen-
arbeit). In wachstumsfeindlicher Um-
gebung (links) ist deutlich die
stärkere Kooperation an den Rän-
dern der Kolonie erkennbar.

Foto: privat

Im ökologischen Kontext wären hier die Mikroorganismen „Spieler“, die verschiedene Strategien anwenden, um im „Überlebensspiel“ zu gewinnen. Sind die Teilnehmer am „Überlebensspiel“ Verwandte, die eine Population bilden, dann dürfte soziales Verhalten dabei wichtig sein und Kooperation als Schlüsselstrategie gelten. Es gibt viele Beispiele für die erfolgreiche Zusammenarbeit innerhalb einer Art: Bakterien wie Bacillus subtilis können Tenside ausscheiden, damit weniger Geißeln zur Fortbewegung gebraucht werden, besonders wenn nicht genügend Nährstoffe zum Aufbau von Geißeln vorhanden sind. Andere Mikroorganismen bilden Biofilme und schützen sich so gemeinsam in einer kaum angreifbaren Schleimschicht. Sie produzieren Enzyme, die den wertvollen Nährstoff Eisen binden, und nehmen sie dann mit dem Eisen wieder auf, oder sie schließen Zucker durch Hefe auf – das alles sind Aktivitäten einzelner Bakterien, die dazu dienen, die Überlebenschancen der gesamten Population zu erhöhen. Die Kooperationen bleiben aber nur dann stabil, wenn der Nutzen für die „Spieler“ größer ist als die Kosten.

Um mehr über das Sozialverhalten der Bakterien herauszufinden, wird ein mathematisches Modell konstruiert, das das Wachstum einer Kolonie abbilden soll. Der Nährboden wird als Koordinatennetz dargestellt, in dem die Nährstoffe gleichmäßig verteilt sind. Ein erster Punkt mit Bakterienzellen wird ins Zentrum des Nährmediums gesetzt. Diese Zellen vermehren sich, und eine Kolonie wächst. Das System wird durch zwei dynamische lokale Größen beschrieben: die Dichte der Bakterienpopulation und die Nährstoffkonzentration. Die Härte der Oberfläche, ein Parameter für die Verteilung der Bakterien auf der Oberfläche, wird ebenfalls berücksichtigt. Anhand von gekoppelten Differenzialgleichungen können dann Musterbildungen von bakteriellen Wachstumsstrukturen errechnet werden. Die theoretischen Ergebnisse können zur Überprüfung visualisiert und mit Laborergebnissen realer Bakterienkulturen verglichen werden.

Die Entwicklung eines Kosten-Nutzen-Schemas mithilfe der Spieltheorie würde zeigen, wie vorteilhaft es für Bakterien an einem bestimmten Punkt ist, zusammenzuarbeiten. Zwar weiß die Forschung bislang noch nicht, auf welche Weise Bakterien ihre Verwandten erkennen, um mit ihnen zu kooperieren, aber dass sie es können, steht außer Frage.


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Drandreb Earl Juanico Drandreb Earl Juanico
Foto: privat

Dr. Drandreb Earl Juanico lehrt Mathematik an der Ateneo de Manila University in Quezon City auf den Philippinen. Er war von Mai 2009 bis April 2011 als Humboldt-Forschungsstipendiat zu Gast an der Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität München.

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