Die „Wunderwaffe“, die Mikroorganismen zur Kommunikation nutzen, ist in Wirklichkeit ein Komplize der Blaualgenblüte?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Blumentee (Landwirtschaftliche Universität Qingdao)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Geheimnisse der Biowissenschaften zu entschlüsseln, hat das Spitzentechnologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Neues Wissen über das Leben“ veröffentlicht, die Lebensphänomene interpretiert und die Geheimnisse der Biologie aus einer einzigartigen Perspektive enthüllt. Tauchen wir ein in die Welt des Lebens und erkunden wir die unendlichen Möglichkeiten.

In der weiten Natur sind Mikroorganismen wie Sterne in jeder Ecke verstreut. Obwohl sie winzig sind, verfügen sie über eine erstaunliche Weisheit und starke Anpassungsfähigkeit. Sie haben eine Kommunikationsmethode entwickelt, die nur die Mikroorganismen selbst „hören“ können – „Quorum Sensing“ (QS). Wissenschaftler haben diesen Mechanismus eingehend erforscht und dabei die große Weisheit der Mikroorganismen ans Licht gebracht. Dafür erhielten sie 2016 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Lassen Sie uns nun in diesen stillen „Dialog“ zwischen Mikroorganismen einsteigen und das Geheimnis des Quorum Sensing erforschen.

Mikrobielles Quorum Sensing ist wie eine Begrüßungskommunikation zwischen Mikroorganismen

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Stiller „Dialog“

In einer geschäftigen Stadt kommunizieren und koordinieren die Menschen ihre Aktionen über Mobiltelefone, Radio oder persönliche Kommunikation. Doch in der mikroskopischen Welt sind Bakterien keine Einzelgänger, sie verfügen auch über ihre eigene Art der Kommunikation: das Quorum Sensing.

Quorum Sensing ist ein Kommunikationsmechanismus, durch den Mikroorganismen ihr Verhalten anpassen, indem sie die Anzahl ähnlicher Mikroorganismen in der Umgebung erfassen . Wenn die Dichte der Mikroorganismen einen bestimmten Schwellenwert erreicht, lösen sie eine Reihe von Änderungen in der Genexpression aus. Dieser auf der Zelldichte basierende Kommunikationsmechanismus ermöglicht es Bakterien, die Anwesenheit ihrer Artgenossen zu spüren und ihr Verhalten zu koordinieren, was sich auf ihr Wachstum, ihren Stoffwechsel, ihre Virulenz und andere Faktoren auswirkt.

Stellen Sie sich vor, die Bakterien veranstalten eine große Party, die erst beginnt, wenn eine bestimmte Anzahl von Menschen anwesend ist. Dies ist wie ein stiller „Dialog“ zwischen Mikroorganismen. Obwohl es keinen Ton gibt, ist es voller Weisheit und Strategie. Diese Art der Kommunikation ist für sie von entscheidender Bedeutung, um sich besser an die Umgebung anzupassen und ihre Überlebensfähigkeit zu verbessern, und sie ist in vielen Szenarien und Bedingungen von großer Bedeutung.

Quorum Sensing unterstützt die Bildung von Biofilmen , die für Mikroorganismen in rauen Umgebungen eine wichtige Überlebensstrategie darstellen. Biofilme können auch als „Panzerung“ von Mikroorganismen betrachtet werden. Sie bestehen aus einer großen Anzahl von Bakterien und extrazellulären Produkten und bilden eine dreidimensionale Struktur des Gruppenzustands. Durch Quorum Sensing können Mikroorganismen zusammenarbeiten, um diese komplexe Struktur aufzubauen und die Resistenz gegen die Umwelt und Antibiotika zu erhöhen.

Bildung mikrobieller Biofilme

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Quorum Sensing kann auch die Produktion von Virulenzfaktoren durch pathogene Mikroorganismen regulieren. Für pathogene Mikroorganismen sind Virulenzfaktoren die wichtigsten Waffen, um Wirte zu infizieren und Krankheiten zu verursachen. Quorum Sensing ist so etwas wie der „Arsenalmanager“ dieser Mikroorganismen und verantwortlich für die Regulierung der Produktion dieser Virulenzfaktoren. Wenn die mikrobielle Dichte zunimmt, werden sie durch Quorum Sensing dazu veranlasst, mehr Toxine, Enzyme und andere schädliche Verbindungen zu produzieren, wodurch die Infektion verschlimmert wird – ähnlich wie wenn man auf einem Schlachtfeld die Truppenstärke und Feuerkraft erhöht, um die Situation für die Mikroorganismen günstiger zu gestalten.

Der horizontale Gentransfer ist eines der wichtigsten Mittel für Mikroorganismen, um sich schnell an Umweltveränderungen anzupassen. Innerhalb der Bakteriengemeinschaft können Mikroorganismen durch Quorum Sensing Gene effizienter austauschen und neu kombinieren und dadurch neue genetische Eigenschaften erwerben, ganz so, als würden sie an einer „genetischen Karnevalsparty“ teilnehmen, voneinander lernen und sich weiterentwickeln.

Quorum Sensing trägt auch zur Aufrechterhaltung der Stabilität mikrobieller Populationen bei und fungiert in der mikrobiellen Welt als „Volkszähler“. Es überwacht Veränderungen der Populationsgröße und sendet Signale zur Anpassung der Anzahl der Mikroorganismen, um sicherzustellen, dass alles unter Kontrolle ist.

Gute Nachrichten für Mikroben, schlechte Nachrichten für Menschen

Obwohl Quorum Sensing für Mikroorganismen eine wichtige Überlebensstrategie darstellt, bringt es auch für uns Menschen eine Menge Ärger mit sich:

Das schwierigste Problem ist die Arzneimittelresistenz. Durch den weitverbreiteten Einsatz von Antibiotika entwickeln immer mehr pathogene Mikroorganismen Resistenzen gegen diese Medikamente. Dieses Phänomen kann durch Quorum Sensing noch verstärkt werden, da es Mikroorganismen ermöglicht, ihre Resistenz gegen Medikamente durch eine Reihe von Veränderungen der Genexpression zu steigern. Es handelt sich um ein „Wettrüsten“ zwischen Mikroorganismen und Menschen, und es nimmt kein Ende.

Darüber hinaus kann Quorum Sensing die Produktion von Virulenzfaktoren von Krankheitserregern erhöhen und so die Infektion verschlimmern. Beispielsweise produziert Pseudomonas aeruginosa, einer der am weitesten verbreiteten Krankheitserreger, bei hoher Dichte mehr Toxine, als ob die Mikroorganismen plötzlich eine „Geheimwaffe“ auf dem Schlachtfeld erhalten hätten, was den Kampf intensiver und grausamer macht und letztendlich zu einer schwereren Lungeninfektion führt.

Aus ökologischer Sicht kann Quorum Sensing auch zu einer abnormalen Vermehrung von Mikroorganismen in Wasser und Boden führen und so Umweltverschmutzung verursachen. Algenblüten werden beispielsweise durch übermäßiges Algenwachstum aufgrund von Quorum Sensing verursacht. Dies beeinträchtigt nicht nur die Wasserqualität und das ökologische Gleichgewicht, sondern stellt auch eine potenzielle Gefahr für die menschliche Gesundheit dar.

Behandeln Sie andere so, wie Sie von ihnen behandelt werden möchten

Wissenschaftler suchen aktiv nach Möglichkeiten zur Kontrolle des Quorum Sensing, um die menschliche Gesundheit und die Umweltsicherheit zu schützen. Sie greifen auf Strategien zur Blockierung von Infektionskrankheiten zurück, um die Regulierung von Quorum-Sensing-Systemen anzugehen.

Da Signalmoleküle die wichtigsten Mediatoren des Quorum Sensing sind, kann Quorum Sensing durch Hemmung der Produktion von Signalmolekülen verhindert werden. Wissenschaftler untersuchen oder synthetisieren spezifische Enzyme und chemische Medikamente, um die Expression von Signalmolekülen auf molekularer Ebene zu hemmen.

Darüber hinaus können wir die mikrobielle Kommunikation auch blockieren, indem wir die Signalübertragung stören. Stellen Sie sich vor, wir könnten einen „Signalstörer“ finden, der die Kommunikation zwischen Mikroorganismen stört und es ihnen so erschwert, eine wirksame Angriffstruppe aufzubauen. Wissenschaftler versuchen, die Empfangsfunktion von Signalrezeptoren durch den Einsatz von Antikörpern oder kleinen Molekülverbindungen zu blockieren. Dies entspricht der Errichtung von „Straßensperren“ in den Kommunikationswegen von Mikroorganismen und erschwert deren Informationsübertragung.

Bei der Suche nach Arzneimittelkandidaten greifen Wissenschaftler auf natürliche Produkte zurück, die das Quorum Sensing hemmen können. Diese Substanzen, wie Allicin und Teepolyphenole, können die Aktivität von Enzymen hemmen, die mit dem Quorum Sensing in Zusammenhang stehen. Darüber hinaus können wir mit der Entwicklung der Technologie zur Genomeditierung nun die Quorum-Sensing-Fähigkeit von Mikroorganismen reduzieren, indem wir Gene, die mit dem Quorum-Sensing in Zusammenhang stehen, ausschalten oder mutieren. Mit dieser Methode wurden im Labor einige Erfolge erzielt und man hofft, dass man in Zukunft mithilfe der Technologie der Genomeditierung einen neuen Typ von Mikroorganismen schaffen kann, der sowohl nützlich als auch sicher ist.

Natürliche antibakterielle Wirkstoffe

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Sinnvolle Nutzung und harmonisches Zusammenleben

Quorum Sensing ist ein wichtiger Kommunikationsmechanismus zwischen Mikroorganismen und hat einen erheblichen Einfluss auf deren Wachstum, Stoffwechsel und Virulenz. Es kann jedoch auch zu Problemen wie Arzneimittelresistenz, erhöhter Pathogenität und Umweltverschmutzung führen. Daher ist die Erforschung und Entwicklung wirksamer Kontrollstrategien für den Schutz der menschlichen Gesundheit und die Umweltsicherheit von großer Bedeutung.

Da die wissenschaftliche Gemeinschaft über ein tieferes Verständnis des Quorum Sensing verfügt, ist das Quorum Sensing-System zu einem neuen Ziel für die Prävention und Kontrolle pathogener Mikroorganismen geworden. Insbesondere ist allen klar, dass das bloße Abtöten von Bakterien zur Entstehung von Superbakterien führen kann und dass das eigentliche Problem der Pathogenität von Bakterien gelöst werden muss. Daher rückt die Entwicklung neuer Inhibitoren, die auf Quorum-Sensing-Mechanismen abzielen, in den Fokus der Forschung und Entwicklung. Diese Inhibitoren können direkt auf Signalmoleküle oder Signalübertragungswege einwirken, um das Auftreten von Quorum Sensing zu hemmen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Antibiotika haben neue antimikrobielle Wirkstoffe keine direkte abtötende Wirkung auf Mikroorganismen. Stattdessen schwächen sie ihre Pathogenität ab, indem sie den Kommunikationsmechanismus zwischen Mikroorganismen stören. Dies ähnelt der Taktik der „psychologischen Kriegsführung“, die dazu führt, dass der Feind unmerklich seinen Kampfgeist verliert und keinen heftigen Widerstand des Feindes hervorruft, wodurch ein harmonisches Zusammenleben zwischen Menschen und Mikroorganismen erreicht wird.