Es war eine buchstäblich spannende Überraschung, die eine Kolonie simpler E.-coli-Bakterien jetzt einem Harvard-Forscherteam bereitet hat: Als die Wissenschaftler einen neuartige Farbstoff testeten, entdeckten sie, dass die einzelnen Mikroben in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen immer wieder schwache elektrische Impulse erzeugen, die entfernt an die Aktivität von Nervenzellen erinnern. Dabei scheint jede Bakterienzelle ihre eigenen Rhythmus zu haben ? einige bleiben für viele Minuten dunkel und produzieren lediglich hin und wieder einmal ein Aufleuchten, während andere sehr regelmäßig mehrmals pro Minute blinken. Als nächstes will das Team um den Biophysiker Joel Kralj genauer untersuchen, warum die Bakterien ihr Membranpotential derart häufig verändern.
Zwar war auch schon vor der aktuellen Beobachtung bekannt, dass Bakterien wie praktisch alle anderen lebenden Zellen eine elektrische Spannung an ihrer Membran aufbauen und dass diese Spannung unter anderem für die Energiegewinnung, den Transport von Stoffen durch die Membran und die Bewegung der Geißeln unverzichtbar ist. Messen ließ sie sich bisher jedoch nicht ? zum einen, weil Bakterien zu klein für die herkömmlichen Messsysteme sind und zum anderen, weil eine Bakterienzelle von einer festen Zellwand umgeben ist, die die Messungen stört.
Aus diesem Grund wählten Kralj und seine Kollegen jetzt auch einen völlig anderen Ansatz, um die elektrische Aktivität der Mikroben sichtbar zu machen: Sie entwarfen künstliche DNA-Stückchen mit dem Bauplan für einen ganz besonderen Farbstoff und schleusten sie in die Bakterienzellen ein. Die Mikroben lasen dann die Anweisungen ab und produzierten in ihrem Inneren selbstständig den entsprechenden Farbstoff. Der Trick dabei sei das Design des Farbstoffs gewesen, erzählen die Forscher: Es handele sich um eine Abwandlung des ebenfalls von Bakterien produzierten Proteins Rhodopsin, das in der Natur dazu dient, Lichtenergie in ein Membranpotential und damit nutzbare Energie umzuwandeln. Die Wissenschaftler drehten für ihre Zwecke den Spieß jetzt einfach um: Die neue Variante, von den Forschern PROPS getauft, reagiert auf Veränderungen in einem Membranpotential und fluoresziert abhängig vom jeweiligen Zustand, wenn sie mit Infrarotlicht bestrahlt wird.
Als die Forscher dann eine mit dem Farbstoff bestücke Kolonie von Escherichia-coli-Bakterien mit ihrem Laser beobachteten, sahen sie die einzelnen Zellen tatsächlich aufleuchten ? ohne, dass es einen äußeren Anlass gegeben hätte. Dabei unterschieden sich nicht nur der Rhythmus und die Intensität, sondern auch die Dauer der Lichtpulse zwischen den individuellen Mikroben: Bei einigen dauerte ein Blinken nur knapp eine Sekunde, andere leuchteten für ganze vierzig Sekunden am Stück. Entscheidend für das Blinken war die Aktivität der Atmungskette, konnten die Forscher dann zeigen: Waren die Bakterien etwa durch einen Behandlung mit Hemmstoffen nicht mehr in der Lage, Energie aus ihrer Nahrung zu gewinnen, stoppte auch das Leuchten.
Vermutlich gehe das Blinken auf das Öffnen und Schließen einzelner Kanälchen in der Zellmembran zurück, durch die Ionen in die Zelle hinein oder aus ihr heraus gelangen können, spekulieren die Wissenschaftler. Damit unterscheide sich die bakterielle Elektrophysiologie deutlich von der pflanzlicher oder tierischer Zellen: Hier sei es die konzertierte Aktion einer großen Anzahl solcher Ionenkanäle, die die elektrische Aktivität erzeuge. Künftig sollen nun PROPS und verwandte Farbstoffe dabei helfen, diese Besonderheiten besser zu verstehen.
Joel Kralj (Harvard University, Cambridge) et al.: Science, Bd. 333, S. 345 wissenschaft.de ? Ilka Lehnen-Beyel
