Kommunikation im Biofilm: Bakterien in großen Kolonien verständigen sich untereinander mit ähnlichen Mechanismen wie die Nervenzellen im menschlichen Gehirn. Sie tauschen elektrische Signale und damit Informationen durch Ionenkanäle aus, und sie koordinieren so ihr Wachstum auch quer durch den gesamten Biofilm, wie Wissenschaftler herausgefunden haben. Das eröffnet überraschende Möglichkeiten: Medikamente gegen Migräne könnten auch gegen hartnäckige Biofilme wirksam sein, spekulieren die Forscher im Magazin "Nature".

Bakterien in Biofilmen kommunizieren mit Hilfe von Ionenkanälen und elektrischen Signalen über große Distanzen.
© CDC / Janice Haney CarrBakterien in Biofilmen kommunizieren mit Hilfe von Ionenkanälen und elektrischen Signalen über große Distanzen.
Die Nervenzellen in unserem Gehirn tauschen Signale durch Poren in ihren Zellmembranen aus. Diese bestehen aus röhrenförmige Proteinkomplexe, sogenannten Ionenkanälen. Sie ermöglichen elektrisch geladenen Teilchen wie Natrium- oder Kaliumionen, die Barriere zwischen einzelnen Zellen oder Zellkompartimenten kontrolliert zu passieren: Das Öffnen beziehungsweise schließen von Ionenkanälen beeinflusst, ob geladene Teilchen in die Zelle ein- oder ausströmen können.

Wichtige Poren in der Zellmembran

Durch diese elektrische Kommunikation zwischen Neuronen im Gehirn entstehen all unsere Sinneswahrnehmungen, unser Verhalten und unsere Intelligenz, sagt Gürol Süel von der University of California in San Diego. Doch auch Bakterien verfügen über diese Poren-Proteine: Viel von dem, was Forscher heute über die wichtigen Ionenkanäle wissen, stammt aus Studien an bakteriellen Ionenkanälen. Doch wie intensiv die Bakterien diese Kanäle tatsächlich nutzen, war bislang ein Rätsel.

Die Untersuchungen von Süel und seinen Kollegen klären dieses Geheimnis nun auf. Die Biologen haben Biofilme studiert, die aus einer Schleimschicht bestehen, in der dicht gedrängt Millionen von Bakterien leben. Diese Lebensgemeinschaften siedeln sich in der Regel auf Oberflächen an - zum Beispiel auf Zähnen, wo sie einen unschönen Belag bilden. Schon in früheren Studien hatte Süels Team entdeckt, dass Biofilme zu Erstaunlichem fähig sind. Sie können Konflikte und Stress innerhalb der Gemeinschaft aktiv lösen.

Glutamat-Konkurrenz im Biofilm

Konkret beobachteten die Forscher Folgendes: Wenn ein Biofilm aus bakteriellen Zellen eine bestimmte Größe erreicht hat, hören die Zellen am Rand des Films, die uneingeschränkten Zugang zu Nährstoffen haben, zeitweise auf zu wachsen. Stattdessen erlauben sie wichtigen Nährstoffen nun auch zum Zentrum des Biofilms zu fließen - hauptsächlich Glutamat. Auf diese Weise bleiben auch die Bakterien im Inneren der Kolonie am Leben und sind zudem widerstandsfähiger gegen Chemikalien und Antibiotika.

Fluoreszenzaufnahme eines Biofilms aus vielen Arten von Bakterien auf einer Oberfläche aus rostfreiem Stahl.
© CDC / Rodney M. DonlanFluoreszenzaufnahme eines Biofilms aus vielen Arten von Bakterien auf einer Oberfläche aus rostfreiem Stahl.
Damit war klar: Irgendwie müssen dieses Schwankungen des Biofilmwachstums koordiniert werden. Und die Koordination muss über lange Distanzen funktionieren - vom Inneren des Biofilms bis zu seinen Randbereichen. Weil die Bakterien offensichtlich vor allem um Glutamat konkurrieren, spekulierten die Wissenschaftler, dass eine Form elektrochemischer Kommunikation an dem Prozess beteiligt sein könnte. Denn Glutamat ist ein elektrisch geladenes Molekül. Zudem treibt es den Forschern zufolge etwa die Hälfte aller menschlichen Hirnaktivitäten an.

Signalübertragung bewahrt Gleichgewicht

In der nun veröffentlichten Studie bestätigen die Forscher diese Hypothese: Die elektrische Spannung an den Zellmembranen schwankt synchron zum Biofilmwachstum. Die Veränderungen des sogenannten Membranpotentials werden dabei durch Ionenkanäle ausgelöst. Hauptsächlich beteiligt an der elektrischen Signalübertragung sind demnach Kaliumionen. Diese elektrisch geladenen Teilchen wandern in Wellen durch den Biofilm und regulieren dabei die Stoffwechselaktivitäten der Bakterien. "Dass auch Bakterien über Ionenkanäle kommunizieren, rückt die Mikroorganismen in ein neues Licht", sagt Süel

"Die Reizweiterleitung allein scheint das Gleichgewicht innerhalb der Biofilmgemeinschaft zu bewahren", schreiben die Biologen Sarah Beagle und Steve Lockless von der Texas A & M University in einem ebenfalls in Nature veröffentlichten Kommentar zur Studie. "Sie koordiniert das Wachstum der äußeren Zellen und stellt gleichzeitig sicher, dass auch der Stoffwechsel der inneren Zellen aufrechterhalten bleiben kann." Ohne die Kaliumionen bricht die Kommunikation zwischen den Zellen ab: Entfernten die Forscher jenen Ionenkanal aus den Bakterien, der das Ein- und Rausfließen von Kaliumionen erlaubt, konnte das elektrische Signal nicht weitergeleitet werden.
Migränemittel gegen resistente Bakterien?

Migräne-Medikamente gegen mikrobielles Gehirn?

Studienleiter Süel vergleicht Biofilme aufgrund der neuen Erkenntnisse mit einem "mikrobiellen Gehirn". Besondere Ähnlichkeit habe die Kommunikationsweise der Bakteriengemeinschaften mit einem als Streudepolarisierung oder Spreading Depression bekannten Phänomen, das unter anderem mit Migräneattacken und Schlaganfällen in Zusammenhang gebracht wird. Dabei breitet sich entlang der Hirnrinde langsam und wellenförmig eine Depolarisierung aus - das Membranpotential verändert sich hin zu einer positiveren Spannung. Beteiligt an der Entstehung und Ausbreitung der Spreading Depression ist eine Freisetzung von Kaliumionen.

"Interessant ist, dass sowohl Migräne als auch die elektrische Signalübertragung in Biofilmen durch metabolischen Stress, also ein Ungleichgewicht oder eine Belastung des Stoffwechsels, ausgelöst wird", sagt Süel. "Womöglich könnten deshalb eigentlich für die Behandlung von Migräne oder Epilepsie entwickelte Medikamente auch gegen bakterielle Biofilme wirksam sein - und damit ein potenzielles Mittel gegen die Bedrohung durch antibiotikaresistente Bakterien."

(Nature, 2015; doi: 10.1038/nature15709) (Nature, Prindle et al., 22.10.2015 - DAL)