Angesichts von Hunger und Stress treten einige Bakterien in einen Ruhezustand ein, in dem ihre Lebensprozesse zum Stillstand kommen. Als Sporen können sie auf diese Weise extremen Hitze- und Druckbedingungen und sogar den rauen Bedingungen des Weltraums widerstehen. Wenn die Bedingungen günstig sind, können Sporen, die jahrelang geschlummert haben, innerhalb von Minuten wieder zum Leben erwachen: Sie nehmen erneut Wasser in sich auf und ihr Stoffwechsel kommt wieder in Gang. Doch wie finden die scheinbar leblosen, inaktiven Sporen heraus, wann die Bedingungen wieder günstig sind?
Keimung erst bei wiederholten Impulsen
Diesem Rätsel ist nun ein Team um Kaito Kikuchi von der University of California in San Diego auf die Spur gekommen. Einen besonderen Fokus legten die Forscher dabei auf die Frage, wie Bakteriensporen vage Umweltsignale verarbeiten, die keine eindeutig günstigen Bedingungen anzeigen. Frühere Beobachtungen hatten nahegelegt, dass sich die Bakteriensporen auf rätselhafte Weise daran erinnern können, wenn in der Vergangenheit schon einmal schwach positive Umweltbedingungen herrschten – und bei wiederholten schwach positiven Signalen eher keimen, als wenn sie nur einmalig einen solchen Impuls bekommen. Doch wie ist das möglich, wenn keinerlei Stoffwechselprozesse ablaufen?
Kikushi und sein Team führten Experimente an tausenden Sporen des Heubazillus (Bacillus subtilis) durch. Zunächst setzten sie den Sporen eine kleine Menge an Nährstoffen zu, die bekanntermaßen als Impuls für die Keimung dienen können. Da die Menge allerdings so gering und nur kurz vorhanden war, verblieben nach diesem ersten Impuls 95 Prozent der Sporen im Ruhezustand. Setzten die Forscher dagegen zwei Stunden später noch einmal eine kleine Menge an Nährstoffen zu, keimte rund die Hälfte aller Sporen. „Die Sporen werden also durch die erste Exposition sensibilisiert und scheinen sich einer Keimschwelle zu nähern“, erklären die Forscher. Physiologisch kann dies sinnvoll sein, da die Bakterien auf diese Weise bewerten können, ob die Bedingungen tatsächlich gut genug zum Keimen sind, und sich nicht durch vorübergehende positive Signale dazu verleiten lassen, ihren Ruhezustand zu früh zu verlassen.
Signalverarbeitung per Membranpotenzial
Messungen des Membranpotenzials der Sporen enthüllten, wie Bacillus subtilis in der Lage ist, die Informationen zu registrieren und abzuspeichern: Jeder kleine Keimungsimpuls führte dazu, dass sich das Membranpotenzial ein wenig verringerte. „Wir haben entdeckt, dass Sporen ihre in Form eines elektrochemischen Membranpotenzials gespeicherte Energie freisetzen können, um Berechnungen über ihre Umgebung durchzuführen, ohne dass eine Stoffwechselaktivität erforderlich ist“, erklärt Kikushis Kollege Gürol Süel. „Das verändert die Art und Weise, wie wir über Sporen denken, die bisher als reaktionslose Objekte betrachtet wurden.“
