Eine langweilige Welt ohne Geschlecht, Hormone oder Nervensystem …

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In der mikrobiellen Welt hatte früher jeder Mitleid mit diesen armen Kreaturen, die weder sprechen noch Emojis haben konnten. Der Nobelpreisträger Francois Jacob beschrieb die Welt der Bakterien in seinem Buch von 1970 sogar als „eine langweilige Welt ohne Geschlecht, Hormone oder Nervensysteme, nur mit Individuen, die sich ständig vermehren.“

Vor mehr als 30 Jahren wurde ein kleines Tier aus der Tiefsee plötzlich zum neuen Lieblingsforschungsobjekt der Wissenschaftler. Er wird Hawaiianischer Stummelschwanz-Tintenfisch genannt. Es ist nur so groß wie ein menschlicher Finger, aber es hat eine magische Fähigkeit – sein Körper kann leuchten. Nach Untersuchungen haben Wissenschaftler herausgefunden, dass nicht der kleine Tintenfisch selbst leuchtet, sondern die Bakterien, die in seinem Körper leben.

Vibrio fischeri ist ein Bakterium, das in Symbiose mit dem Hawaii-Stubtail-Kalmar lebt. Es lebt im Leuchtorgan am Hinterleib des Tintenfischs, wächst mit Hilfe der Nährstoffe des Tintenfischs und gibt diese Leuchtfähigkeit zurück, wodurch der kleine Tintenfisch in mondhellen Nächten die gleiche Helligkeit wie seine Umgebung behält und sich vor Raubtieren verstecken kann. Noch interessanter ist, dass diese Bakterien nicht ständig leuchten. Sie beginnen erst zu leuchten, wenn die Bakterien in der Lichtquelle eine bestimmte Konzentration erreichen.

Woher wissen sie, dass es genug von ihnen gibt?

Es stellt sich heraus, dass jedes Bakterium eine kleine Menge Signalmoleküle in die Umgebung abgeben kann. Mit zunehmender Bakterienzahl steigt auch die Konzentration der Signalmoleküle in der Umgebung allmählich an. Wenn die Konzentration einen bestimmten Schwellenwert erreicht, binden spezifische Rezeptorproteine ​​in den Bakterien daran und aktivieren oder hemmen die Expression der entsprechenden Gene, wodurch alle Bakterien im System gleichzeitig dasselbe tun können, wie beispielsweise die oben erwähnte kollektive Lumineszenz. Haha, Bakterien können nicht nur kommunizieren, sondern auch Crowdfunding betreiben!

Die Entdeckung dieser Fähigkeit hat die Menschen dazu gebracht, diese winzigen Lebewesen mit neuen Augen zu sehen. Ursprünglich dachte man, dass nur höhere Tiere zu Gruppenverhalten fähig seien. Bakterien können dies jedoch tatsächlich, wenn sie nicht gut vorbereitet sind. Sind die Bedingungen jedoch reif, heben sie ihre Arme und erhalten Reaktionen aus allen Richtungen.

Am Erntedankfest 1993 versammelte sich Stephen C. Winans, Professor für Mikrobiologie an der Cornell University, mit seiner Familie und seinen Freunden in seinem Haus.

Stephen C. Winans verwendete Agrobacterium tumefaciens als Versuchsmaterial, um die Signalkommunikationsfähigkeit von Bakterien zu untersuchen. Nachdem er versucht hatte, die wissenschaftlichen Forschungen seines Schwagers zu verstehen, kam dieser zu dem Schluss, dass die Funktionsweise von Bakterien, bei der „eine bestimmte Funktion durch die Gruppengröße bestimmt wird“, der Regel in der menschlichen Gesellschaft sehr ähnlich sei, die bei Entscheidungen über wichtige Ereignisse ein Quorum überschreiten muss. Seitdem hat diese Fähigkeit der Bakterien einen offiziellen Namen – Quorum Sensing (QS).

Nach und nach entdeckte man, dass zahlreiche Phänomene mit Quorum Sensing in Zusammenhang stehen, wie etwa die Ansammlung von Bakterien im Zahnbelag, die Parodontitis verursacht, Biolumineszenz (siehe Abbildung 2), Sporenbildung, Toxinausschüttung bei Infektionen mit pathogenen Bakterien und Stickstofffixierungsknötchen durch Rhizobien usw. Quorum Sensing erhöht die Überlebenswahrscheinlichkeit von Mikroorganismen in der Umwelt erheblich und hilft Bakterien, ihren Lebenszyklus auf organisierte und taktische Weise abzuschließen.

Nehmen wir als Beispiel Pseudomonas aeruginosa. Er zählt zu den unwillkommensten Krankheitserregern in Krankenhäusern und ist häufig Auslöser von Infektionen. Das Quorum-Sensing-System kann nicht nur die Sekretion von Virulenzfaktoren von Pseudomonas aeruginosa regulieren, sondern Pseudomonas aeruginosa auch dabei helfen, eine bakterielle „kleine Burg“ mit einer 3D-Struktur zu bauen. Wenn sie sich in diesem „kleinen Schloss“, einem sogenannten Biofilm, versammeln, ist ihre Widerstandsfähigkeit gegen Antibiotika und Bakterizide hundert- oder tausendmal höher als die ihrer allein agierenden Artgenossen! Das stimmt, wenn es diesen Bakterien gelingt, zu entkommen und zu überleben, können sie ernstere Infektionen verursachen.

Die Komplexität von Mikroorganismen übersteigt die menschliche Vorstellungskraft bei weitem. Da sie mit Hilfe des Quorum Sensing kommunizieren können, müssen sie über die für die Kommunikation erforderliche „Sprache“ verfügen. Die sogenannte Sprache sind in Wirklichkeit die von ihnen abgesonderten Signalmoleküle.

Derzeit ist bekannt, dass es mindestens drei „Sprachen“ mit völlig unterschiedlichen Strukturen gibt, und dass es innerhalb derselben „Sprache“ viele „Dialekte“ gibt, die auf strukturellen Unterschieden wie der Länge der Kohlenstoffkette beruhen. Darüber hinaus gibt es neben den drei großen „Sprachen“ auch mehrere kleinere „Sprachen“. Manche Bakterien sind sogar noch eloquenter und können mehrere Sprachen sprechen! Mikroorganismen nutzen dies, um miteinander zu konkurrieren und Andersdenkende auszuschließen. Beispielsweise kann Staphylococcus aureus vier „Dialekte“ sprechen. Wenn die Fraktion, die einen bestimmten „Dialekt“ spricht, zahlenmäßig im Vorteil ist, unterdrückt sie andere Fraktionen und verhindert, dass diese Virulenzfaktoren zum Ausdruck bringen. Haha, haben Sie das Gefühl, Sie wären in der Unterzahl und würden die Minderheit schikanieren?

Einige der durch Quorum Sensing regulierten physiologischen Verhaltensweisen sind nützlich, viele Krankheitserreger können dies jedoch ausnutzen, um die Gesundheit von Menschen, Tieren und Pflanzen zu gefährden. In der Vergangenheit wurden Krankheitserreger hauptsächlich mit Antibiotika bekämpft. Nachdem wir nun die „Sprache“ einiger Mikroorganismen beherrschen, ist es an der Zeit, mithilfe von Quorum Sensing Gegenwehr zu leisten. Forscher haben die Signalmoleküle, die Bakterien wahrnehmen, zerstört oder gestört (Quorum-Quenching), wodurch Mikroorganismen zu „tauben“ und „stummen“ Menschen wurden, die ihr Gehör verloren und nicht mehr sprechen konnten, wodurch das Quorum-Sensing-Netzwerk zerstört wurde. Derzeit beschäftigen sich einige Unternehmen mit der Forschung und Entwicklung von Medikamenten, die das Quorum Sensing stören.

Vielleicht müssen sich die Menschen in naher Zukunft keine Sorgen mehr über den Missbrauch von Antibiotika machen, sondern können die Gesundheit von Mensch und Pflanze schützen und die landwirtschaftliche Produktion auf eine ruhige, nicht tödliche und nur störende Weise fördern. Wie harmonisch das wäre!

*Dieser Artikel wurde zuerst von „The Fat Demon’s Microbial Base“ (WeChat-ID: nldxhjwswx) veröffentlicht. Bei jedem Nachdruck in den Medien müssen der Name und die WeChat-ID von „The Fat Demon’s Microbial Base“ beibehalten werden. Jegliche Änderung, einschließlich des Titels, ohne Genehmigung ist strengstens untersagt.

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