06.03.2015
Elektronenmikroskopische Aufnahmen erklären Nährstoffaustausch von Bakterien
Dass Bakterien sich bei Nährstoffmangel gegenseitig aushelfen ist schon länger bekannt. Wie dieser Nährstoffaustausch praktisch aussehen kann, haben jetzt Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena sowie der Universitäten Jena, Kaiserslautern und Heidelberg, herausgefunden. Sie entdeckten, dass manche Bakterien Nanokanäle zwischen einzelnen Zellen ausbilden, die den direkten Austausch von Nährstoffen ermöglichen.
Bakterien leben zumeist in artenreichen Gemeinschaften, in denen häufig Nährstoffe und andere Stoffwechselprodukte ausgetauscht werden. Es war bislang unklar, ob Mikroorganismen diese Substanzen ausschließlich über die Umwelt austauschen oder ob sie dafür direkte Verbindungen zwischen den Zellen benutzen. Wissenschaftler der Forschungsgruppe Experimentelle Ökologie und Evolution am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena haben bakterielle Gene ausgeschaltet, sodass die Bakterien manche Aminosäuren nicht mehr produzieren konnten, andere wiederum in erhöhtem Maße herstellten. Für ihre Experimente nutzten die Wissenschaftler das Bodenbakterium Acinetobacter baylyi, sowie den Darmkeim Escherichia coli.
Wuchsen die so veränderten Bakterien zusammen, konnten sie sich gegenseitig ernähren, um so den experimentell erzeugten Aminosäuremangel wieder auszugleichen. Wurden die Bakterien allerdings durch einen Filter getrennt, der Aminosäuren im Nährmedium zwar durchließ, einen direkten Austausch zwischen den beiden Bakterienstämmen jedoch verhinderte, konnte keiner der Stämme wachsen. "Dies zeigte uns, dass offenbar ein direkter Kontakt zwischen den Zellen notwendig ist, um die Nährstoffe auszutauschen", erläutert Samay Pande, der im Rahmen seiner Doktorarbeit am Max-Planck-Institut in Jena an diesem Projekt forschte und inzwischen wissenschaftlicher Mitarbeiter der ETH Zürich ist.
Im Elektronenmikroskop konnten die Wissenschaftler beobachten, dass sich zwischen beiden Bakterienarten Nanoröhren bildeten, die den Austausch von Nährstoffen ermöglichten. Auffallend war dabei, dass nur das Darmbakterium Escherichia coli solche Strukturen nutzte, um sich mit Acinetobacter baylyi-Zellen zu verbinden. "Ein wesentlicher Unterschied zwischen diesen beiden Arten ist sicherlich, dass E. coli sich aktiv in Flüssigkeiten fortbewegen kann, während A. baylyi dazu nicht imstande ist. Es könnte deswegen sein, dass E. coli schwimmend seine Partner findet und so identifiziert, mit welcher Zelle es sich über Nanokanäle verbinden möchte," meint Christian Kost, Leiter der von der Volkwagen-Stiftung geförderten Forschungsgruppe Experimentelle Ökologie und Evolution.
"Ein Mangel an Aminosäuren löst die Bildung der Nanokanäle aus. Schalten wir ein Gen aus, welches für die Bildung einer bestimmten Aminosäure notwendig ist, verbinden sich die so genetisch veränderten Bakterien mit anderen Zellen, um ihren Nährstoffmangel zu kompensieren. Geben wir aber die benötigte Aminosäure zum Wachstumsmedium dazu, werden keine Nanokanäle produziert. Die Ausbildung dieser Strukturen hängt also davon ab, wie "hungrig" eine Zelle ist", fasst der Wissenschaftler die Ergebnisse zusammen.
In Bakteriengemeinschaften ist es für einzelne Arten von großem Vorteil, sich auf bestimmte biochemische Prozesse zu spezialisieren und andere Arbeiten sozusagen auszulagern: Das spart Ressourcen und steigert Effizienz und Wachstum. Ob Nanokanäle nur dem hierzu notwendigen wechselseitigen Austausch von Nährstoffen dienen, oder ob einzelne Bakterienarten andere Bakterien auch parasitisch anzapfen und aussaugen, müssen weitere Untersuchungen klären. Auch ist bislang noch unklar, ob Bakterien gezielt steuern können, an welche Zelle sie sich anheften. Immerhin ist eine solche Röhrenverbindung auch potenziell riskant, denn der Partner auf der anderen Seite könnte der Nanokanal-bildenden Zelle auch schaden.
"Die spannendste Frage bleibt für mich, ob es sich bei Bakterien tatsächlich um einzellige, relativ einfach strukturierte Organismen handelt, oder ob wir es mit einer anderen Form der Vielzelligkeit zu tun haben. Bakterien könnten beispielsweise ihre Komplexität dadurch steigern, dass sie sich mit anderen Bakterien verbinden und so ihre Fähigkeiten kombinieren", sagt Christian Kost. Seine Arbeitsgruppe widmet sich der zentralen Frage, warum Lebewesen miteinander kooperieren. Bakterielle Lebensgemeinschaften als experimentelle Modellsysteme sollen dabei helfen zu verstehen, warum sich bei den meisten Lebewesen im Laufe der Evolution ein kooperativer Lebensstil durchgesetzt hat.
Bakterien leben zumeist in artenreichen Gemeinschaften, in denen häufig Nährstoffe und andere Stoffwechselprodukte ausgetauscht werden. Es war bislang unklar, ob Mikroorganismen diese Substanzen ausschließlich über die Umwelt austauschen oder ob sie dafür direkte Verbindungen zwischen den Zellen benutzen. Wissenschaftler der Forschungsgruppe Experimentelle Ökologie und Evolution am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena haben bakterielle Gene ausgeschaltet, sodass die Bakterien manche Aminosäuren nicht mehr produzieren konnten, andere wiederum in erhöhtem Maße herstellten. Für ihre Experimente nutzten die Wissenschaftler das Bodenbakterium Acinetobacter baylyi, sowie den Darmkeim Escherichia coli.
Wuchsen die so veränderten Bakterien zusammen, konnten sie sich gegenseitig ernähren, um so den experimentell erzeugten Aminosäuremangel wieder auszugleichen. Wurden die Bakterien allerdings durch einen Filter getrennt, der Aminosäuren im Nährmedium zwar durchließ, einen direkten Austausch zwischen den beiden Bakterienstämmen jedoch verhinderte, konnte keiner der Stämme wachsen. "Dies zeigte uns, dass offenbar ein direkter Kontakt zwischen den Zellen notwendig ist, um die Nährstoffe auszutauschen", erläutert Samay Pande, der im Rahmen seiner Doktorarbeit am Max-Planck-Institut in Jena an diesem Projekt forschte und inzwischen wissenschaftlicher Mitarbeiter der ETH Zürich ist.
Im Elektronenmikroskop konnten die Wissenschaftler beobachten, dass sich zwischen beiden Bakterienarten Nanoröhren bildeten, die den Austausch von Nährstoffen ermöglichten. Auffallend war dabei, dass nur das Darmbakterium Escherichia coli solche Strukturen nutzte, um sich mit Acinetobacter baylyi-Zellen zu verbinden. "Ein wesentlicher Unterschied zwischen diesen beiden Arten ist sicherlich, dass E. coli sich aktiv in Flüssigkeiten fortbewegen kann, während A. baylyi dazu nicht imstande ist. Es könnte deswegen sein, dass E. coli schwimmend seine Partner findet und so identifiziert, mit welcher Zelle es sich über Nanokanäle verbinden möchte," meint Christian Kost, Leiter der von der Volkwagen-Stiftung geförderten Forschungsgruppe Experimentelle Ökologie und Evolution.
"Ein Mangel an Aminosäuren löst die Bildung der Nanokanäle aus. Schalten wir ein Gen aus, welches für die Bildung einer bestimmten Aminosäure notwendig ist, verbinden sich die so genetisch veränderten Bakterien mit anderen Zellen, um ihren Nährstoffmangel zu kompensieren. Geben wir aber die benötigte Aminosäure zum Wachstumsmedium dazu, werden keine Nanokanäle produziert. Die Ausbildung dieser Strukturen hängt also davon ab, wie "hungrig" eine Zelle ist", fasst der Wissenschaftler die Ergebnisse zusammen.
In Bakteriengemeinschaften ist es für einzelne Arten von großem Vorteil, sich auf bestimmte biochemische Prozesse zu spezialisieren und andere Arbeiten sozusagen auszulagern: Das spart Ressourcen und steigert Effizienz und Wachstum. Ob Nanokanäle nur dem hierzu notwendigen wechselseitigen Austausch von Nährstoffen dienen, oder ob einzelne Bakterienarten andere Bakterien auch parasitisch anzapfen und aussaugen, müssen weitere Untersuchungen klären. Auch ist bislang noch unklar, ob Bakterien gezielt steuern können, an welche Zelle sie sich anheften. Immerhin ist eine solche Röhrenverbindung auch potenziell riskant, denn der Partner auf der anderen Seite könnte der Nanokanal-bildenden Zelle auch schaden.
"Die spannendste Frage bleibt für mich, ob es sich bei Bakterien tatsächlich um einzellige, relativ einfach strukturierte Organismen handelt, oder ob wir es mit einer anderen Form der Vielzelligkeit zu tun haben. Bakterien könnten beispielsweise ihre Komplexität dadurch steigern, dass sie sich mit anderen Bakterien verbinden und so ihre Fähigkeiten kombinieren", sagt Christian Kost. Seine Arbeitsgruppe widmet sich der zentralen Frage, warum Lebewesen miteinander kooperieren. Bakterielle Lebensgemeinschaften als experimentelle Modellsysteme sollen dabei helfen zu verstehen, warum sich bei den meisten Lebewesen im Laufe der Evolution ein kooperativer Lebensstil durchgesetzt hat.
Bacteria network for food
February 23, 2015 No. 2/2015 (136)
Bacteria connect to each other and exchange nutrients
It is well-known that bacteria can support each others’ growth and exchange nutrients. Scientists at the Max Planck Institute for Chemical Ecology in Jena, Germany, and their colleagues at the universities of Jena, Kaiserslautern, and Heidelberg, however, have now discovered a new way of how bacteria can achieve this nutritional exchange. They found that some bacteria can form nanotubular structures between single cells that enable a direct exchange of nutrients (Nature Communications, February 2015).
- Electron micrograph of genetically modified Acinetobacter baylyi and Escherichia coli strains. The bacteria exchange amino acids via nanotubes (i.e. tube-like connections between cells). Image: Martin Westermann, Electron Microscopy Center, University Hospital, Friedrich Schiller University Jena, Germany
Bacteria usually live in species-rich communities and frequently exchange nutrients and other metabolites. Until now, it was unclear whether microorganisms exchange metabolites exclusively by releasing them into the surrounding environment or whether they also use direct connections between cells for this purpose. Scientists from the Research Group Experimental Ecology and Evolution at the Max Planck Institute for Chemical Ecology in Jena, Germany addressed this question using the soil bacterium Acinetobacter baylyi and the gut microbeEscherichia coli. By experimentally deleting bacterial genes from the genome of both species, the scientists generated mutants that were no longer able to produce certain amino acids, yet produced increased amounts of others.
In co-culture, both bacterial strains were able to cross-feed each other, thereby compensating the experimentally induced deficiencies (see also our press release "Division of Labor in the Test Tube − Bacteria grow faster if they feed each other", December 2, 2013). However, separating the two bacterial strains with a filter that allowed free passage of amino acids, yet prevented a direct contact between cells, abolished growth of both strains. “This experiment showed that a direct contact between cells was required for the nutrient exchange to occur,” explains Samay Pande, who recently obtained his PhD at the Max Planck Institute in Jena on this research project and now started a postdoc at the ETH Zürich.
Observing the co-culture under the electron microscope revealed structures that formed between bacterial strains, which functioned as nanotubes and enabled the exchange of nutrients between cells. Especially remarkable, however, was the fact that only the gut microbe Escherichia coli was capable of forming these structures and connecting to Acinetobacter baylyi or other E. coli cells. “The major difference between both species is certainly that E. coli is able to actively move in liquid media, whereas A. baylyi is immotile. It may thus be possible that swimming is required for E. coli to find suitable partners and connect to them via nanotubes,” explains Christian Kost, head of the Research Group Experimental Ecology and Evolution, which is funded by the Volkswagen Foundation.
“A lack of amino acids triggered the formation of nanotubes. Deleting a gene, which is involved in the production of a certain amino acid, caused the resulting bacteria to connect to other bacterial cells and − in this way − compensate their nutritional deficiency. However, nanotubes did not form when the required amino acids were supplemented to the growth medium, indicating that the formation of these structures obviously depends on how ‘hungry’ a cell is,” the scientist summarizes the results.
Cells that specialize on particular biochemical processes and thereby divide their labor can be advantageous for bacterial communities: Resources can be used more economically, thus enhancing growth and efficiency. Whether the formation of nanotubes exclusively serves the mutual exchange of nutrients or whether some bacterial species also parasitize other bacterial cells in this way will be subject to further investigation. Moreover, it remains unclear whether bacteria can actively choose the cells to which they attach. After all, such tubular connections also pose a potential risk, because the partner on the other side of the tube could also provide harmful substances.
“To me, the most exciting question that remains to be answered is whether bacteria are in fact unicellular and relatively simply structured organisms or whether we are actually looking at some other type of multicellularity, in which bacteria increase their complexity by attaching to each other and combining their biochemical abilities,” Christian Kost summarizes. His research focuses mainly on the question why organisms cooperate with each other. Using bacterial communities as experimentally tractable model systems will help to explain why so many organisms have developed a cooperative lifestyle in the course of their evolution. [AO/CK]
Original Publication:
Pande, S., Shitut, S., Freund, L., Westermann, M., Bertels, F., Colesie, C., Bischofs, I. B., Kost, C. (2015). Metabolic cross-feeding via intercellular nanotubes among bacteria. Nature Communications, DOI 10.1038/ncomms7238.
http://dx.doi.org/10.1038/ncomms7238
Observing the co-culture under the electron microscope revealed structures that formed between bacterial strains, which functioned as nanotubes and enabled the exchange of nutrients between cells. Especially remarkable, however, was the fact that only the gut microbe Escherichia coli was capable of forming these structures and connecting to Acinetobacter baylyi or other E. coli cells. “The major difference between both species is certainly that E. coli is able to actively move in liquid media, whereas A. baylyi is immotile. It may thus be possible that swimming is required for E. coli to find suitable partners and connect to them via nanotubes,” explains Christian Kost, head of the Research Group Experimental Ecology and Evolution, which is funded by the Volkswagen Foundation.
“A lack of amino acids triggered the formation of nanotubes. Deleting a gene, which is involved in the production of a certain amino acid, caused the resulting bacteria to connect to other bacterial cells and − in this way − compensate their nutritional deficiency. However, nanotubes did not form when the required amino acids were supplemented to the growth medium, indicating that the formation of these structures obviously depends on how ‘hungry’ a cell is,” the scientist summarizes the results.
Cells that specialize on particular biochemical processes and thereby divide their labor can be advantageous for bacterial communities: Resources can be used more economically, thus enhancing growth and efficiency. Whether the formation of nanotubes exclusively serves the mutual exchange of nutrients or whether some bacterial species also parasitize other bacterial cells in this way will be subject to further investigation. Moreover, it remains unclear whether bacteria can actively choose the cells to which they attach. After all, such tubular connections also pose a potential risk, because the partner on the other side of the tube could also provide harmful substances.
“To me, the most exciting question that remains to be answered is whether bacteria are in fact unicellular and relatively simply structured organisms or whether we are actually looking at some other type of multicellularity, in which bacteria increase their complexity by attaching to each other and combining their biochemical abilities,” Christian Kost summarizes. His research focuses mainly on the question why organisms cooperate with each other. Using bacterial communities as experimentally tractable model systems will help to explain why so many organisms have developed a cooperative lifestyle in the course of their evolution. [AO/CK]
Original Publication:
Pande, S., Shitut, S., Freund, L., Westermann, M., Bertels, F., Colesie, C., Bischofs, I. B., Kost, C. (2015). Metabolic cross-feeding via intercellular nanotubes among bacteria. Nature Communications, DOI 10.1038/ncomms7238.
http://dx.doi.org/10.1038/ncomms7238
see also NATURE RESEARCH HIGHLIGHT: Altruistic bacteria share their food. Nature 519, 8–9 (2015), doi:10.1038/519008e.
http://dx.doi.org/10.1038/519008e
http://dx.doi.org/10.1038/519008e
Further Information:
Dr. Christian Kost, Research Group Experimental Ecology and Evolution, Max Planck Institute for Chemical Ecology, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena, Tel. +49 (0)3641 57 1212, E-Mail ckost [at]ice.mpg.de
Keine Kommentare:
Kommentar veröffentlichen