Protein gibt Teilungs-Startschuss

Bakterien k?nnen sich rasend schnell vermehren, doch sie tun es nur unter den richtigen Bedingungen. Fehlen ihnen N?hrstoffe oder ist es beispielsweise zu kalt oder zu trocken, verharren sie in einem Ruhezustand. Wie eine einzelne Bakterienzelle entscheidet, ob sie sich teilen soll, wurde bisher vor allem an Populationen untersucht, die sich bereits munter vermehren. Doch was eine schlummernde Zelle dazu bringt, aus ihrem Ruhezustand zu erwachen und in die erste Teilung zu starten, wusste man bisher nicht.

Dieses R?tsel haben nun Forschende um Uwe Sauer, Leiter des Instituts f¨¹r Molekulare Systembiologie der ETH Z¨¹rich, gel?st. Sie untersuchten am Beispiel des Darmbakteriums E.coli, wie es die Entscheidung zur ersten Teilung f?llt. Diese h?ngt ¨¹berraschenderweise von einem einzelnen Protein im Innern der Bakterienzelle ab: Nur wenn dessen Konzentration einen Schwellenwert ¨¹berschreitet, teilt sich die Zelle. Basierend auf ihren Erkenntnissen entwickelten die Forschenden ein mathematisches Modell. ?Damit l?sst sich erstmals quantitativ vorhersagen, wann die erste Teilung stattfinden wird?, sagt Sauer. Die Studie wurde k¨¹rzlich in der Fachzeitschrift Molecular Systems Biology ver?ffentlicht.

Rasche Aktivierung des Stoffwechsels

Die Forschenden kl?rten den Mechanismus auf, indem sie E.coli-Bakterien zun?chst durch N?hrstoffentzug in den Ruhezustand versetzen. Anschliessend f¨¹tterten sie die Zellen mit winzigen Tr?pfchen einer Glukosel?sung. Die Bakterien nahmen den Zucker gierig auf: Innert Sekunden sprang ihr Stoffwechsel an. Das konnten die Forschenden mit Hilfe einer Methode zeigen, die im Sauer-Labor entwickelt wurde und mit der sich Hunderte von Stoffwechselprodukten gleichzeitig und in Echtzeit messen lassen.

Die Analyse ergab, dass die Bakterien aus der gef¨¹tterten Glukose ¨¹berraschenderweise sehr rasch neue Biomasse bilden, darunter Amino- und Nukleins?uren, aus denen in weiteren Schritten Eiweisse und DNA entstehen ¨C notwendige Voraussetzung f¨¹r die Bildung neuer Zellen.

F¨¹tterungsfrequenz ist entscheidend

Bei Bakterien, die bereits in der Wachstumsphase sind, findet die n?chste Teilung statt, sobald ausreichend neue Biomasse vorhanden ist. Doch bei den ruhenden Zellen war das anders: Erhielten diese die n?hrenden Glukosetr?pfchen im Abstand von zehn Minuten, bildeten sie mit der Zeit zwar mehr und mehr Biomasse, aber sie teilten sich trotzdem nicht. Erst als die Forschenden die Zeitintervalle verk¨¹rzten und die Zellen alle vier Minuten f¨¹tterten, fand nach einer Stunde die erste Teilung statt. F¨¹tterten sie jede Minute, begann die Teilung praktisch sofort. ?Nicht die Gesamtmenge des Zuckers war entscheidend, sondern die F¨¹tterungsfrequenz?, sagt Sauer.

Aufgrund dessen vermuteten die Forschenden, dass die Zellen aus der Glukose ein Schl¨¹sselprotein bilden, das in den F¨¹tterungspausen jedoch wieder abgebaut wird. Nur wenn ausreichend h?ufig Glukose gegeben wird, bildet sich mehr Protein als abgebaut wird und die Zelle kann sich teilen. Um ihre Hypothese zu ¨¹berpr¨¹fen, durchforsteten die Forschenden die wissenschaftliche Literatur nach Proteinen, die bei der Teilung eine Rolle spielen und die zudem von zelleigenen Proteasen abgebaut werden. Dabei stiessen sie auf das Protein FtsZ, aus dem sich w?hrend der Zellteilung ein Ring formt, der die Trennung in zwei Tochterzellen erleichtert.

Teilungsprotein als Signal

Zusammen mit Professor Roman Stocker vom Institut f¨¹r Umweltingenieurwissenschaften der ETH Z¨¹rich und Professor Suckjoon Jun von der University of California in San Diego konnten sie nachweisen, dass FtsZ tats?chlich in den E. coli-Zellen abgebaut wird und dass seine Konzentration w?hrend der Hungerphasen sinkt. Und es erwies sich als das gesuchte Schl¨¹sselprotein: Beschleunigten die Forschenden den Ftsz-Abbau k¨¹nstlich, verl?ngerte sich die Zeit bis zur ersten Teilung. Brachten sie die Zellen hingegen mit genetischen Methoden dazu, mehr FtsZ zu produzieren, teilten diese sich fr¨¹her. ?Damit konnten wir zeigen, dass die Konzentration von FtsZ das entscheidende Signal f¨¹r die erste Teilung darstellt?, sagt Sauer.

F¨¹r den ETH-Professor bringen die neuen Erkenntnisse nicht nur die Grundlagenforschung weiter, sondern sie k?nnten auch als Basis f¨¹r konkrete Anwendungen dienen. Denn das Teilungsprotein FtsZ findet sich nicht nur in E.coli, sondern bei fast allen Bakterienarten, darunter auch bei Pathogenen wie dem Tuberkuloseerreger Mycobacterium tuberculosis. ?Will man verhindern, dass ruhende Bakterien mit der Teilung beginnen, ist FtsZ ein guter Angriffspunkt?, sagt Sauer. Bereits seit einigen Jahren wird in verschiedenen Laboren an Substanzen geforscht, die unter anderem den Abbau von FtsZ beschleunigen und als vielversprechende Kandidaten f¨¹r neue Antibiotika gelten.