Wie ein Bakterium zum dauerhaften Untermieter in einem Pilz wird

Die Endosymbiose ist ein faszinierendes biologisches Ph?nomen, bei dem ein Organismus in einem anderen Organismus lebt. Eine solch ungew?hnliche Beziehung ist h?ufig f¨¹r beide Parteien von Vorteil. Sogar in unserem K?rper finden sich ?berbleibsel eines solchen Zusammenlebens: Mitochondrien, die Kraftwerke in unseren Zellen, entstanden w?hrend der Evolution aus einer Endosymbiose. Vor Urzeiten gelangten Bakterien in andere Zellen. Dieses Zusammenleben legte den Grundstein f¨¹r die Mitochondrien und damit die Zellen von Pflanzen, Tieren und Pilzen.

Nach wie vor schlecht verstanden ist hingegen, wie sich eine Endosymbiose als Lebensgemeinschaft ¨¹berhaupt bildet. Denn ein Bakterium, das mehr oder weniger zuf?llig in einer ganz anderen Wirtzelle landet, hat es in der Regel schwer. Es muss ¨¹berleben, sich vermehren und an die kommende Generation weitergegeben werden. Ansonsten stirbt es mit seinem Wirt aus. Und um den Wirt nicht zu sch?digen, darf es nicht zu viele N?hrstoffe f¨¹r sich beanspruchen und nicht zu schnell wachsen. Anders gesagt: K?nnen sich Wirt und Untermieter nicht aufeinander einlassen, endet die Beziehung.

Um den Anfang dieser speziellen Beziehung von zwei Organismen zu studieren, hat ein Team von Forschenden um Julia Vorholt, Professorin f¨¹r Mikrobiologie an der ETH Z¨¹rich, eine solche Lebensgemeinschaft im Labor initiiert. An der Studie beteiligt waren auch Kolleg:innen des Leibniz-Instituts f¨¹r Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beobachteten, was genau zu Beginn einer m?glichen Endosymbiose passiert. Sie ver?ffentlichten die Studie soeben in der Fachzeitschrift externe Seite Nature.

Wohngemeinschaft erzwingen

F¨¹r diese Arbeit entwickelte Gabriel Giger, Doktorand in Vorholts Labor, zuerst ein Verfahren, um Bakterien in Zellen des Pilzes Rhizopus microsporus zu injizieren, ohne sie zu zerst?ren. Er verwendete dazu einerseits E. coli-Bakterien und andererseits Bakterien der Gattung Mycetohabitans. Letztere sind nat¨¹rlicherweise Endosymbionten eines anderen Rhizopus-Pilzes. F¨¹r das Experiment verwendeten die Forschenden hingegen einen Stamm, der in der Natur keine Endosymbiose eingeht. Danach beobachtete Giger unter dem Mikroskop, was mit der erzwungenen Wohngemeinschaft geschah.

Nach der Injektion der Coli-Bakterien wuchsen sowohl der Pilz als auch die Bakterien weiter, letztere schliesslich so schnell, dass der Pilz eine Immunreaktion gegen die Bakterien ausl?ste. Der Pilz sch¨¹tze sich vor den Coli-Bakterien, indem er sie einkapselte. So verhinderte er, dass die Bakterien an die n?chste Pilzgeneration weitergeben wurden.

Bakterien gelangen in die Sporen

Anders bei den injizierten Mycetohabitans-Bakterien: W?hrend der Pilz Sporen bildete, schafften es einzelne der Bakterien, in diese zu gelangen und so in die n?chste Generation ¨¹bertragen zu werden. ?Dass die Bakterien tats?chlich ¨¹ber die Sporen an die n?chste Pilzgeneration weitervererbt werden, war ein Durchbruch unserer Forschung?, sagt Giger.

Der Doktorand liess die Sporen mit den Untermietern keimen. Dabei stellte er fest, dass sie weniger oft keimten und die Jungpilze langsamer wuchsen als bei den Sporen ohne Bakterien. ?Die Endosymbiose senkte zun?chst die allgemeine Fitness der betroffenen Pilze?, erkl?rt er. Giger setzte das Experiment ¨¹ber mehrere Pilzgenerationen fort und w?hlte dabei jeweils gezielt diejenigen Pilze aus, in deren Sporen Bakterien zu finden waren. So schaffte er es, dass sich der Pilz erholte und mehr lebensf?hige Sporen mit Bakterien produzierte. Wie die Forschenden mit genetischen Analysen zeigen konnten, hat sich der Pilz w?hrend dieses Experiments ver?ndert und sich an seinen Untermieter angepasst.

Die Forschenden fanden zudem heraus, dass der Gast zusammen mit seinem Wirt biologisch aktive Molek¨¹le produzierte, die den Wirt bei der Beschaffung von N?hrstoffen und bei der Abwehr von Fressfeinden wie Fadenw¨¹rmern oder Am?ben unterst¨¹tzen k?nnten. ?Aus dem anf?nglichen Nachteil kann so ein Vorteil werden?, betont Vorholt.

Fragile Systeme

In ihrer Studie zeigen die Forschenden auf, wie fragil fr¨¹he endosymbiotische Systeme sind. ?Dass die Fitness des Wirts zun?chst sinkt, k?nnte unter nat¨¹rlichen Bedingungen das fr¨¹hzeitige Aus f¨¹r ein solches System bedeuten?, sagt Giger.  ?Damit neue Endosymbiosen entstehen und sich stabilisieren, braucht es einen Vorteil f¨¹r das Zusammenleben?, sagt Vorholt. Voraussetzung daf¨¹r ist, dass der Gast Eigenschaften mitbringt, die die Endosymbiose beg¨¹nstigen. F¨¹r den Wirt ist es eine Chance, sich auf einen Schlag durch das Einverleiben eines anderen Organismus neue Merkmale anzueignen, auch wenn es Anpassungen braucht. ?In der Evolution haben Endosymbiosen gezeigt, wie erfolgreich sie letztendlich werden k?nnen?, betont die ETH-Professorin.