Können Mikroben die Uhr lesen?

Mikroben können natürlich nicht die Uhrzeit an einem Ziffernblatt ablesen, aber manche Bakterien besitzen eine innere Zeitmessung, die mit ihrer Umgebung abgestimmt ist. Ähnlich wie unsere innere Uhr Schlaf und Wachen reguliert, verfolgen manche Bakterien die Zeit, um zwischen Aktivitäten zu wechseln. Für Bakterien kann es wichtig sein, ob es gerade Tag oder Nacht ist und wann es dunkel wird. Das Abgleichen bestimmter Aufgaben mit Tag und Nacht erlaubt es ihnen, die investierte Energie besser auszuschöpfen, einander behindernde Prozesse zeitlich zu trennen oder auf besondere Bedingungen, wie die schädliche Strahlung der Sonne, vorbereitet zu sein.

Über die Zeitmessung wissen wir am meisten von photosynthetischen Bakterien. Cyanobakterien beispielsweise gewinnen ähnlich wie Pflanzen tagsüber Energie aus dem Sonnenlicht durch Photosynthese. In der Nacht ernähren sie sich von Zucker, den sie während des Tages hergestellt haben. Um die Tageszeit zu bestimmen, besitzen Cyanobakterien eine innere Uhr.

Wie funktioniert diese Uhr? Cyanobakterien besitzen ein bestimmtes Set von Molekülen, die sich langsam aneinander binden und wieder lösen. Diese Abfolge dauert 24 Stunden und bestimmt so das Tempo der biologischen Uhr. Dank ihrer inneren Uhr können Cyanobakterien beispielsweise morgens schon vor Sonnenaufgang bestimmte Proteine auf Vorrat herstellen, die sie für die Photosynthese benötigten.

Ähnlich wie wir uns bei Reisen in andere Zeitzonen nach einiger Zeit an den neuen Rhythmus anpassen, können Cyanobakterien ihre innere Uhr neu einstellen, zum Beispiel, wenn wir sie im Labor einer längeren Dunkelperiode aussetzen. Die innere Uhr der Cyanobakterien steuert neben der Photosynthese auch die Stickstofffixierung und Zellteilung. Dies stellt sicher, dass für die jeweiligen Prozesse passende Bedingungen gegeben sind. 

Auch manche unserer Darmbakterien können sich dank ihrer inneren Uhr auf frische Nahrung einstellen. Das verschafft diesen Bakterien einen Vorsprung gegen Konkurrenten ohne Uhr. Interessanterweise hilft Melatonin, das Hormon, das unseren Tag-Nacht-Rhythmus aufrechterhält, auch Bakterien beim Messen der Zeit.

Eine innere Uhr besitzt auch das Bakterium Aliivibrio fischeri, das in spezialisierten Organen von hawaiianischen Zwergtintenfischen lebt. Die Bakterien geben Licht ab, was den Tintenfisch tarnt, wenn er im mondhellen Flachwasser des Ozeans jagt. Dementsprechend leuchten die Aliivibrio-Bakterien tagesrhythmisch, also intensiver in der Nacht und schwächer während des Tages.

Zum Weiterlesen und Ansehen:

Cohen SE., Golden SS. (2015) Circadian Rhythms in Cyanobacteria. MicrobiolMolBiol Rev. 79(4):373-85
Video: Cyanobacterial Circadian Oscillator Animation

Johnson CH, Zhao C, Xu Y, Mori T. (2017) Timing the day: what makes bacterial clocks tick?. Nat Rev Microbiol. 15(4):232–242. doi:10.1038/nrmicro.2016.196

Wier, A. M. et al. Transcriptional patterns in both host and bacterium underlie a daily rhythm of anatomical and metabolic change in a beneficial symbiosis. Proc. Natl. Acad. Sci. 107, 2259–2264 (2010).

© Text: Christin Köbler und Nina Scheurer (AK Annegret Wilde) annegret.wilde[at]biologie.uni-freiburg.de
Ramya Ganesan und Laura Flórez, raganesa[at]uni-mainz.de / laflorez[at]uni-mainz.de
Abbildung: Ramya Ganesan; Nutzung gemäß CC4.0