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Kurze Frage!

Haben Mikroben Haare?

VAAM kurze FrageÄhnlich wie wir Menschen haben viele Mikroben eine Art Behaarung in unterschiedlicher Form und Länge. Manche Mikrobenarten besitzen nur wenige Haare, andere sind komplett behaart, und wieder andere tragen Glatze.

Im Gegensatz zum menschlichen Haar, das aus abgestorbenen Zellen (Horn) besteht und damit ein Zellanhang bildet, handelt es sich bei dem mikrobiellen Haar um Zellfortsätze. Das sind Ausstülpungen der Zelle und somit wichtige Bestandteile der Mikrobe. Sie bestehen aus Proteinen und erfüllen je nach Länge und Größe unterschiedliche Funktionen: Flagellen sind dünne, meist sehr lange Haare, meist auf einer Seite der Mikrobe. Mit ihnen können sich die Mikroben aktiv fortbewegen. Fimbrien sind generell dünner und kürzer; oft sind tausende über die ganze Zelloberfläche verteilt. Mit ihnen kann sich die Mikrobe an Oberflächen oder andere Zellen anheften. Mit Hilfe der Pili, von denen es oft nur ein oder zwei pro Zelle gibt, treten Mikroben miteinander in Kontakt und tauschen wichtige Stoffe wie Erbmaterial miteinander aus.

Die Art der Behaarung bietet also einige Vorteile für Mikroben. Allerdings können über diese Strukturen auch Viren an die Mikroben andocken und diese krank machen -  eine „Glatze“ hat also durchaus auch Vorteile.

Daniela Langfeldt, Kiel
dlangfeldt@ifam.uni-kiel.de
Abbildung: Daniela Langfeldt

Können sich Mikroben unterhalten?

VAAM kurze FrageMikroben kommunizieren miteinander. Wir Menschen können diese Sprache zwar nicht hören, erleben aber zum Teil die Auswirkungen dieser Kommunikation: So wachsen manche Bakterien nach „Absprache“ in geschützten Zellanhäufungen, den Biofilmen, die wir als schleimige Beläge (auf Dichtungen oder in Einspülkammern der Waschmaschine) kennen. Bakterien benutzen für ihre Unterhaltung kleine chemische Moleküle. So erfassen sie, wie viele und welche Nachbarn in ihrer Umgebung sind. Ist ein gewisser Schwellenwert an chemischen Molekülen - ein Quorum - erreicht, aktivieren sie ein bestimmtes Verhalten, beispielsweise die Leuchtfähigeit (Biolumineszenz) oder eben die Bildung von Biofilmen. Daher wird die Sprache der Bakterien auch als Quorum sensing („Messen einer Anzahl“) bezeichnet. Die Sprache der Mikroben ist so vielfältig wie die menschliche. Es existieren verschiedene Sprachen - also chemische Moleküle - vergleichbar den unterschiedlichen Landessprachen. Innerhalb einer Landessprache gibt es zudem diverse Dialekte, also verschiedene strukturelle Varianten eines Signalmoleküls. In einer Mikrobengemeinschaft gibt es Bakterien, die sowohl sprechen als auch zuhören können und solche, die nur zuhören, aber selbst nicht sprechen und sich somit innerhalb der Gemeinschaft verstecken. Jede Bakterienart beherrscht unterschiedlich viele Sprachen. Durch Kommunikation treten Mikroben ähnlich wie wir Menschen miteinander in Beziehung und teilen sich so ihre Handlungsabsichten mit.

Nancy Weiland-Bräuer, Kiel,
nweiland@ifam.uni-kiel.de
Zeichnung: Nancy Weiland-Bräuer

Werden Bakterien krank?

VAAM kurze FrageBakterien können wie jedes andere Lebewesen von bestimmten Viren befallen und somit krank werden. Diese Viren heißen Bakteriophagen (kurz Phagen), was so viel wie „Bakterienfresser“ bedeutet. Überall wo man Bakterien findet, kommen auch Bakteriophagen vor. Ein Phage ist sehr einfach aufgebaut: Er besteht im Wesentlichen aus einer Hülle, die das enthaltene Erbgut schützt. Diese Hülle kann verschiedene Formen und Anhänge haben. Die Viruserkrankung eines Bakteriums läuft immer nach dem gleichen Schema ab: Zuerst dockt der Phage an spezielle Strukturen auf der Außenhülle der Bakterien an.  Im nächsten Schritt spritzt der Phage sein Erbgut direkt in die Wirtszelle.  Dort wird das Phagenerbgut entweder in die Gene des Wirtes eingebaut und in eine Art Schlummerzustand versetzt - oder es werden sofort neue Phagen produziert. Der Phage zwingt den Wirt, nach und nach alle Phagenbestandteile herzustellen und diese zu neuen Phagen zusammenzusetzen.  Schließlich platzt das Bakterium und setzt die neuen Phagen frei.

Diese Fähigkeit, Bakterien gezielt zu zerstören, macht sich der Mensch in der Phagentherapie zu Nutze: Bakteriophagen werden gezielt eingesetzt, um krankheitsverursachende Bakterien zu töten. Allerdings können Phagen auch großen wirtschaftlichen Schaden anrichten, wenn sie zum Beispiel Bakterien infizieren, die für die Käseproduktion benötigt werden.

Katrin Weidenbach, Universität Kiel
kweidenbach@ifam.uni-kiel.de
Abbildung: Katrin Weidenbach

Wie viele Bakterien leben auf einem Sandkorn?

Die alte theologische Streitfrage, wie viele Engel auf einer Nadelspitze Platz finden, ist nie befriedigend beantwortet worden (nur Christian Morgenstern hatte dazu einen schlüssigen Gedanken). Aber wie viele Bakterien ein Sandkorn besiedeln, hat man herausgefunden:  Bis zu 100.000 pro Korn! [2] Wer gern mit großen Zahlen jongliert, lässt sich sicher von der Frage reizen, wie viele Mikroben eine Strandburg bewohnen oder auf den ungezählten Sandkörnern endloser, meerumspülter Badestrände sitzen… Übrigens hatte schon Antonie van Leeuwenhoek, der Entdecker der Bakterien, vor fast 350 Jahren herausgefunden, dass mehr als 100 Millionen dieser "Tierchen", wie er sie damals bezeichnete, zusammen gerade die Größe eines Sandkorns ausmachen würden [3]. Doch welche Mikroben leben auf den Sandkörnchen und wie können sie sich dort halten, wenn Wellen den sandigen Meeresgrund aufwühlen?    
Sandkörner sind nicht rundum glatt geschliffen, sondern haben Risse und Vertiefungen. Darin drängen sich die Mikroben und sind vor Kollisionen mit anderen Sandkörnern geschützt, werden nicht vom wellenbewegten Meerwasser weggespült oder von hungrigen Einzellern abgegrast. Dabei geht es auf den besten Plätzen recht eng zu. Nur etwa 0,5 µm (tausendstel Millimeter) Abstand halten die Mikroben voneinander, gerade mal eine halbe Bakteriendicke. Aber sie sitzen nicht aufeinander, sondern teilen sich die besiedelbare Fläche.

Die Mikrobengemeinschaft ist bunt gemischt. Auf jedem der Sandkörner kommen Tausende Arten vor, überwiegend Bakterien, der geringere Anteil sind Archaeen. Dabei machen weniger als zwei Prozent der Arten mehr als die Hälfte aller Mikroben aus. Diese kulturelle Vielfalt hat einen enormen Vorteil. Fast jede denkbare Stoffwechselleistung ist vertreten, und die Mikrobenpopulation der Sandkörner hat zu den wechselnden Bedingungen des Ökosystems Meer immer eine passende "Antwort" parat. Sand wirkt wie ein gewaltiger Filter für eingespülte Stoffe.

Übrigens konnte man die Bevölkerung eines einzelnen Sandkorns nur mit genetischen Methoden untersuchen. Im Mikroskop sehen sich die meisten Arten zum Verwechseln ähnlich.  Dazu isolierte man die gesamte DNA der Sandkornbewohner und vervielfältigte mit der PCR-Technik (Polymerase-Kettenreaktion) einen bestimmten Genomabschnitt, den alle Mikroorganismen enthalten. Die charakteristische DNA-Sequenz der 16S-RNA, ein Bestandteil der Ribosomen (die Synthesemaschinerie für Proteine), eignet sich besonders gut zur Zuordnung und Unterscheidung von Mikroben. So gelang es, auf den einzeln untersuchten Sandkörnern zwischen 3400 und 6000 verschiedene Arten zu entdecken.

Referenzen
C. Morgenstern, Gedichte: Scholastikerprobleme. (http://gutenberg.spiegel.de/buch/gedichte-9419/69)
D. Probandt, T. Eickhorst, R. Amann, K. Knittel (2017) Microbial life on a sand grain: from bulk sediment ot single grains. The ISME Journal, 12, 623-633. (http://www.nature.com/articles/ismej2017197)

© Harald Engelhardt, Martinsried, Germany / VAAM
Nutzung gemäß CC 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Gibt es Mikroben, die man schützen muss?

VAAM kurze FrageTiere und Pflanzen, die selten und vom Aussterben bedroht sind, versucht man zu schützen, oder sie werden zumindest in die Rote Liste bedrohter Arten aufgenommen. Eine Rote Liste für Bakterien und Archaeen gibt es nicht. Aber Sammlungen von lebenden Mikroorganismen verwahren Tausende von Mikrobenstämmen, um sie für vergleichende Untersuchungen weltweit Forschern zur Verfügung stellen zu können. Die Wahrung der Biodiversität steht dabei nicht im Vordergrund, auch wenn sich unter den Stämmen wahre Exoten befinden.
Ob einzelne Bakterienarten oder Archaeen vom Aussterben bedroht sind, können Mikrobiologen kaum beantworten. Es fehlt der Überblick über das weltweite Vorkommen von Mikroben. Auch kennen wir die meisten Mikroben noch gar nicht. Aber manchmal werden drastische Konsequenzen deutlich, wenn eine Mikrobenart aus einem Lebensraum verschwindet. So führte der menschengemachte Rückgang des Cyanobakteriums Nostoc flagelliforme buchstäblich zur Verwüstung einer Landschaft.
Nostoc flagelliforme lebte immer in großen Mengen auf den ariden Steppen und in den Bergregionen mehrerer Provinzen Nord- und Nordwest-Chinas. Es wächst zu Spaghetti-ähnlichen langen, dünnen Fäden und liegt in Knäueln auf dem Steppenboden (Abbildung). In Asien ist es als Haarmoos, Haarkraut oder Haargemüse bekannt und wurde schon seit hunderten von Jahren von der Landbevölkerung gesammelt, als Lebensmittel genutzt und gehandelt. Facai lautet die einheimische Bezeichnung (auf Mandarin) für das Haargemüse, und sie klingt so ähnlich wie ein Gruß und Wunsch zum chinesischen Neujahr („werde glücklich und reich“). Daraus entwickelte sich die Tradition, facai in einer Suppe als Neujahrsspeise zu reichen. Chinesische Restaurants übernahmen das Rezept in ihre Speisekarten und so sammelten die Steppenbewohner immer mehr des Haarmooses. Denn es ließ sich nicht künstlich zu langen Fäden züchten. Die Nachfrage stieg seit den 1970er Jahren immer stärker, der Nachschub wurde knapper, und der Preis kletterte im Jahr 2000 auf über 120 Dollar pro Kilo. Nostoc, alias facai, wurde zum Genussmittel. Dann verbot plötzlich die Regierung unter Androhung und Umsetzung drastischer Strafmaßnahmen das wilde Sammeln und stellte Nostoc flagelliforme unter Schutz.

Cyanobakterien besitzen nämlich eine besondere Fähigkeit, die nur bei Bakterien vorkommt. Sie können Luftstickstoff (N2) binden und zu Ammonium (NH4+) umwandeln, das für den Aufbau von Aminosäuren, Nukleinsäuren und vielen anderen Biomolekülen gebraucht wird. Stickstoffsalze sind in der Steppe rar und so gediehen Gras und andere Pflanzen nur, solange Nostoc den Boden ausreichend mit organischem Stickstoff düngte. Das exzessive Absammeln der Bakterienkulturen ließ den Boden verarmen, Gras und Pflanzen gingen zurück, der Boden erodierte und fast 20 Prozent der Steppe in der Inneren Mongolei wurden zur Wüste. Als Stürme immer mehr Sand nach Beijing und Shanghai wehten, begann man nach dem Grund zu suchen.

Übrigens kann man immer noch facai oder fat choi (kantonesisch) in Restaurants bestellen. Nostoc flagelliforme wurde stillschweigend durch gefärbte Stärkefäden ersetzt.

Zum Weiterlesen
Rote Liste: [http://www.wwf.de/fileadmin/fm-wwf/Publikationen-PDF/WWF-Hintergrundinformation-Rote-Liste-IUCN-und-Deutschland.pdf
H. Engelhardt (2014) Mikrobe des Jahres 2014. Nostoc – Vom Weichensteller der Evolution zum Genussmittel. Rundschau für Fleischhygiene und Lebensmittelüberwachung 7/2014, 245-248
H. Engelhardt (2014) Nostoc – Multitalent mit bewegter Vergangenheit. Biospektrum 2/14, 234-235. http://www.biospektrum.de/blatt/d_bs_pdf&_id=1258161
Mikrobe des Jahres 2014: Link einfügen

© Harald Engelhardt, Martinsried
Nutzung gemäß CC 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Abbildung: Das Cyanobakterium Nostoc flagelliforme, auch "Haarmoos" oder "Haargemüse"
© X. Gao et al. (2016) gemäß CC 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Wie wiegt man ein Bakterium?

VAAM kurze FrageEs ist gar nicht so leicht, eine einzelne Bakterienzelle zu wiegen, obwohl es dafür tatsächlich ein sehr genaues Messgerät gibt. Doch um herauszufinden, wie schwer ein Bakterium ungefähr ist, muss man es nicht unbedingt auf eine Waage legen. Für die einfachste und schnellste Schätzung des Gewichts einer Mikrobe genügt es, ihre Größe auszumessen.
Ein typisches Exemplar des Darmbakteriums Escherichia coli (E. coli) hat eine Länge von etwa 2,5 µm und einen Durchmesser von 0,75 µm. Die Enden der stäbchenförmigen Zellen ähneln Halbkugeln und der Körper dazwischen einem Zylinder. Das Zellvolumen lässt sich also ungefähr mit dem einer Kugel und einem Zylinderstück gleichen Durchmessers ermitteln und liefert für unser Beispiel den Wert 1,0 µm3. Mit der spezifischen Dichte einer Zelle gelangt man zu ihrem Gewicht. Angenommen, E. coli besteht nur aus Wasser mit der Dichte 1 g/cm3 (10-12 g/µm3), so erhält man mit 10–12 g (einem millionstel Mikrogramm oder einem Picogramm) bereits eine passable Schätzung. Natürlich erhöhen sich Dichte und Gewicht der Zelle ein wenig durch ihren Gehalt an Proteinen, Zucker, Nukleinsäuren, Lipiden und anderen Molekülen.

Möchte man die Masse einer Zelle genauer kennen, muss man noch ihre spezifische Dichte bestimmen. Eine elegante Methode ist die Dichtegradienten-Zentrifugation. Man lagert die Zellen auf eine Flüssigkeit, die von oben nach unten in kleinen Stufen oder kontinuierlich dichter wird. Dazu eignet sich eine Lösung aus dem Zucker Saccharose mit steigendem Konzentrationsverlauf (oder besser polymere Materialien, die nicht gleichzeitig den osmotischen Druck der Lösung ändern). Lässt man die Zellen nun in einer Zentrifuge bei hoher Umdrehungszahl absinken, so sammeln sie sich in dem Dichtemedium bei der Position, die ihrer eigenen Dichte entspricht, und "schweben“ dort. Für E. coli fand man Werte von 1,08 bis 1,10 g/cm3. Unsere Standardzelle hat demnach eine Masse von ungefähr 1,1·10–12 g.

Wie wiegt man Mikroben nun direkt?
Mit einem speziellen Rastersondenmikroskop kann man tatsächlich die reine Biomasse einzelner Zellen direkt bestimmen. Die Messsonde eines Rasterkraftmikroskops besteht aus einer feinen Blattfeder (Cantilever), die sich durch kleinste Kräfte verbiegt. Die Biegung lässt sich mit einem reflektierten Laserstrahl sehr genau verfolgen. Regt man die Feder zum Schwingen an, so stellt sich eine charakteristische Schwingungsfrequenz (Eigenfrequenz) ein, die man mit dem Laserstrahl messen kann. Die Frequenz reagiert sehr empfindlich auf Kräfte, die auf die schwingende Feder einwirken.
Ein kleiner U-förmiger Kanal im Inneren der Feder wird von einem wässrigen Medium durchströmt. Sobald ein Bakterium mit dem Flüssigkeitsstrom in die Feder gelangt, verschiebt sich deren Eigenfrequenz geringfügig. Die Zelle hat eine etwas höhere Dichte als das sie umgebende Medium und ändert die Gesamtmasse und damit die Schwingungeigenschaft der Feder. Aus dem Frequenzunterschied ergibt sich die reine Biomasse des Bakteriums und mit einer Reihe von Messungen die Massen¬verteilung. Deren Form ist nicht genau symmetrisch zum häufigsten Wert und ähnelt jener der Größen- und Volumenverteilung der Mikroben. Danach hat E. coli eine typische Biomasse (ohne Zellwasser) von 0,11·10–12 ± 0,03·10–12 g.
Wiederholt man die Messungen mit Medien unterschiedlicher Dichte, so lässt sich daraus auch die spezifische Dichte der Zellen ermitteln. Für E. coli fand man hier den Wert 1,16 g/cm3.

Belegt man die Blattfeder eines Rastersondenmikroskops mit Proteinen, die an die Oberfläche von Zellen binden, so lassen sich einzele Zellen aus einer Kultur herausgreifen. Das gelingt mit menschlichen Zellen, die wesentlich größer und etwa 2000-mal schwerer sind als E. coli. Mit diesem Verfahren kann man die Zellmasse nun samt des Zellwassers messen und sogar über längere Zeit verfolgen. Dabei beobachtete man erstmals periodische Schwankungen des Zellgewichts.

Mikroben ändern ihre Größe (und damit Masse) während des Wachstums und durch Teilung deutlich. Ihre Dichte variiert bei unterschiedlichen Nährstoffangeboten und mit der Einlagerung von Speicherstoffen. Größen- und Massenunterschiede um den Faktor zwei oder mehr bei Zellen einer Art sind deshalb nicht ungewöhnlich.

Übrigens unterscheiden sich verschiedene Mikrobenarten in Größe und Masse mitunter ganz erheblich.

Zum Weiterlesen:
•    http://book.bionumbers.org/what-is-the-density-of-cells/  (25. 7. 2017)
•    F. C. Neidhardt (1987) Escherichia coli and Salmonella typhimurium. Cellular and  
      Molecular Biology. Vol. 1, American Society for Microbiology, Washington, S. 3-6
•    T. P. Burg et al., Weighing of Biomolecules, Single Cells, and Single Nanoparticles in Fluid (2007) Nature 446, 1066-1069 [Link: https://www.nature.com/articles/nature05741]
•    M. Godin et al. (2007) Applied Physics Letters 91, 123121
•    D. Martinez-Martín et al. (2017) Nature 550, 500-505

© Harald Engelhardt, Martinsried / VAAM
Nutzung gemäß CC 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

© Harald Engelhardt, Martinsried / VAAM
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