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Raffiniertes Schwarmverhalten: Bakterien unterstützen sich über Generationen hinweg

Bakterienschwarm auf einer Agarplatte
Schwarm von Bacillus subtilis Bakterien auf Nährboden in einer Petrischale. (Eingefärbtes Bild: Biozentrum, Universität Basel)

Bakterien leben nicht nur in Gemeinschaften. Sie kooperieren dabei sogar miteinander und versorgen sich gegenseitig über Generationen hinweg mit Nährstoffen. Dies konnten Forschende der Universität Basel nun erstmals mit Hilfe einer neu entwickelten Methode zeigen. Diese Methode ermöglicht es, die Genexpression während der Entstehung von Bakteriengemeinschaften über Raum und Zeit mitzuverfolgen.

21. November 2023 | Heike Sacher, Katrin Bühler

Bakterienschwarm auf einer Agarplatte
Schwarm von Bacillus subtilis Bakterien auf Nährboden in einer Petrischale. (Eingefärbtes Bild: Biozentrum, Universität Basel)

In der Natur leben Bakterien meist in Gemeinschaften zusammen. Als Kollektiv bewohnen sie unseren Darm, auch als Darmmikrobiom bekannt, oder bilden Biofilme wie beim Zahnbelag. Den einzelnen Mikroben bietet das Zusammenleben viele Vorteile. Sie können widrigen Umweltbedingungen besser trotzen, erobern gemeinsam neue Territorien und profitieren dabei voneinander.

Beobachtung in Raum und Zeit

Die Bildung solcher Bakteriengemeinschaften ist ein hochkomplexer Vorgang, bei dem dreidimensionale Gebilde aus Bakterien entstehen. In ihrer aktuellen, in «Nature Microbiology» publizierten Studie, hat das Team von Prof. Dr. Knut Drescher vom Biozentrum der Universität Basel nun die Entstehung von Bakterienschwärmen genauer untersucht.

Ihnen ist dabei ein methodischer Durchbruch gelungen, mit dem sie nun erstmals die Genexpression mitverfolgen konnten und gleichzeitig das Verhalten der einzelnen Zellen filmen konnten, während sich mikrobielle Gemeinschaften räumlich und zeitlich entwickeln.

Bakterien versorgen nachfolgende Generationen

Als Modellorganismus diente den Forschenden Bacillus subtilis. «Dieses weit verbreitete Bakterium ist auch Teil unserer Darmflora. Unsere Beobachtungen zeigten, dass diese im Kollektiv-lebenden Bakterien über mehrere Generationen hinweg miteinander kooperieren», erklärt Studienleiter Knut Drescher. «Frühere Generationen hinterlassen dabei Stoffwechselprodukte für die Nachkommen.»

Wie sich zudem herausstellte, gibt es innerhalb eines Bakterienschwarms verschiedene Subpopulationen. Diese produzieren und nutzen unterschiedliche Stoffwechselprodukte. Die Art der verfügbaren Stoffe wiederum beeinflusst die Ausbreitung beziehungsweise das Schwarmverhalten der Bakterien.

Aufgabenverteilung innerhalb der Gemeinschaft

Die Forschenden machten sich die Kombination von modernster Mikroskopie, genetischer Analysen und automatisierter Probennahme zu Nutze. So konnten sie zu bestimmten Zeitpunkten an genau definierten Orten die Genexpression und das Verhalten der Bakterien genau untersuchen und bestimmen, welche Stoffe die Bakterien ausscheiden. Der Bakterienschwarm liess sich so in drei grosse Regionen einteilen: die Schwarmfront, die Zwischenregion und das Zentrum. Die Übergänge sind jedoch fliessend.


Originalpublikation

Hannah Jeckel et al.
Simultaneous spatiotemporal transcriptomics and microscopy of Bacillus subtilis swarm development reveal cooperation across generations.
Nature Microbiology (2023), doi: 10.1038/s41564-023-01518-4

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