Altruistischer Selbstmord in multizellulären Bakterienclus­tern: Ursachen und Konsequenzen

• Prof Dr Alexander Grünberger  Institute of Process Engineering in Life Sciences: Microsystems in Bioprocess Engineering, Karlsruhe, Institute of Technology.

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Bakterien kommen hauptsächlich in multizellulären Gruppen vor. Diese räumlich strukturierten Gemeinschaften zeigen häufig Verhaltensweisen, die für die Gruppe von Vorteil, für das handelnde Individuum jedoch kostspielig sind. Ein Beispiel ist der altruistische Selbstmord von Zellen, von dem man annimmt, dass er zellulären Aggregaten zugute kommt, indem er Klonemates mit Nährstoffen versorgt oder die Ausbreitung von Clustern erleichtert. Obwohl bereits mehrere ursächliche Gene identifiziert wurden, ist das Wissen über die evolutionären Bedingungen, die den programmierten Zelltod in Bakterien begünstigen, noch rudimentär. Ein Grund dafür ist das Fehlen von Techniken, die es erlauben, Bakteriengruppen mit Einzelzellauflösung zu beobachten und zu analysieren, was für die Untersuchung der ökologischen Folgen der Zelllyse entscheidend ist.

Dieses Projekt zielt darauf ab, dieses Problem anzugehen. Wir machen uns ein Modellsystem zunutze, in dem sich eine metabolische Kooperation zwischen zwei Genotypen von Escherichia coli entwickelt hat. Die Evolution der wechselseitigen Zusammenarbeit war auf die Bildung von mehrzelligen Clustern zurückzuführen, von denen kooperative Mutanten innerhalb der Cluster profitierten. Interessanterweise entwickelten die Linien einen Lebenszyklus, bei dem die Zellen zwischen einem einzelligen und einem mehrzelligen Cluster-Stadium wechselten. Dieses Muster korrelierte mit einem erhöhten Anteil an toten Zellen, der im Laufe des Evolutionsexperiments deutlich anstieg. 

Unser Projekt zielt darauf ab, die molekularen Triebkräfte der Zelllyse zu identifizieren und die evolutionären Konsequenzen für multizelluläre Cluster zu enträtseln. Zu diesem Zweck werden wir transkriptomische Analysen von Mutanten mit sorgfältig konzipierten Kokulturexperimenten kombinieren. Darüber hinaus werden wir eine neuartige mikrofluidische Plattform entwickeln, um dreidimensionale multizelluläre Cluster mit Einzelzellauflösung zu züchten, zu beobachten und zu analysieren. Durch die Identifizierung der molekularen Ursachen und ökoevolutionären Konsequenzen der Zelllyse in Bakterien wird unser Projekt zu einem besseren Verständnis dieses weit verbreiteten Verhaltens auf Gruppenebene beitragen.

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