Altruistischer Selbstmord in multizellulären Bakterienclustern: Ursachen und Konsequenzen

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Grünberger; Professor Dr. Christian Kost
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504072468

Bakterien kommen hauptsächlich in an Oberflächen anhaftenden oder frei schwimmenden multizellulären Gruppen vor. Diese räumlich strukturierten Gemeinschaften zeigen häufig Verhaltensweisen, die für die Gruppe von Vorteil, für die betreffende Einzelzelle jedoch kostspielig sind. Eine Beispiel hierfür ist der altruistische Selbstmord von Bakterienzellen. Obwohl nachteilig für die sterbende Zelle, so könnte deren Tod doch anderen Zellen des Aggregates nützen – zum Beispiel indem genetisch verwandte Zellen mit Nährstoffen versorgt werden oder sich das Cluster dadurch besser verbreiten kann. Obwohl mehrere Gene identifiziert wurden, die einen programmierten Zelltod verursachen können, so sind die evolutionären Bedingungen, die solche Verhaltensweisen begünstigen, nur unzureichend verstanden. Ein Grund hierfür ist das Fehlen von Techniken, die es erlauben, Bakteriengruppen mit Einzelzellauflösung zu untersuchen. Dies ist jedoch zwingend erforderlich, um die ökologischen Folgen der Zelllyse besser verstehen zu können. Ziel dieses Projekt ist es, diese Lücke zu füllen. Hierzu werden wir Populationen des Bakteriums Escherichia coli als Modellsystem verwenden. Diese bestehen aus zwei auxotrophen Stämmen, die nur wachsen können, wenn sie zwei verschiedene essentiellen Aminosäuren miteinander austauschen. Im Laufe eines Koevolutionsexperimentes wurden beide Stämme kooperativer, was sich in einer drastisch erhöhten Aminosäureproduktion relativ zum Ausgangsstamm zeigte. Die Evolution der wechselseitigen Zusammenarbeit konnte auf die Bildung mehrzelliger Cluster zurückgeführt werden, welche kooperative Mutanten in ihrem Wachstum begünstigten. Interessanterweise entwickelten die koevolvierten Linien einen Lebenszyklus, bei dem die Zellen zwischen einem einzelligen und einem mehrzelligen Stadium hin und her wechselten. Dieses Muster korrelierte mit dem Anteil an toten Zellen, der im Laufe des Evolutionsexperimentes zunahm. Unser Projekt zielt darauf ab, die molekularen Ursachen des programmierten Zelltods zu identifizieren und die evolutionären Konsequenzen für mehrzellige Cluster zu bestimmen. Zu diesem Zweck werden wir Transkriptomanalysen von Mutanten mit sorgfältig konzipierten Kokulturexperimenten kombinieren. Darüber hinaus soll eine neuartige mikrofluidische Plattform entwickelt werden, die es ermöglicht, dreidimensionale multizelluläre Cluster mit Einzelzellauflösung unter definierten Umweltbedingungen zu kultivieren, zu beobachten und zu analysieren. Durch Identifizierung der molekularen Ursachen und öko-evolutionären Konsequenzen des programmierten Zelltods von Bakterien wird unser Projekt wesentlich zu einem besseren Verständnis der Entstehung dieses auf Gruppenebene weit verbreiteten Verhaltens beitragen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2389: Emergente Funktionen der bakteriellen Multizellularität