Das Pawlowsche Bakterium

Ein Jahrhundert nachdem Pawlows Hund zum ersten Mal nach dem Klang eines Glöckchens nachweisbar mit der Speichelproduktion begann, glauben Forscher, auch Bakterien auf eine ähnliche Art "trainieren" zu können. Statt dazu komplexe Netzwerke aus Nervenzellen zu verwenden, können die Einzeller "lernen", Stimuli miteinander zu assoziieren, indem sie molekulare Strukturen nutzen, ermittelte ein multidisziplinäres Team aus Deutschland, den Niederlanden und dem Vereinigten Königreich.

Dies könnte Bioingenieure in den nächsten Jahren die Möglichkeit geben, alten Bakterien neue Tricks beizubringen und sie beispielsweise zu Wachposten für den menschlichen Körper zu machen, die bei kleinsten Anzeichen einer Gefahr reagieren, heißt es in der Untersuchung. Die Basis dieser Technologie liegt darin, dass einzellige Organismen Stimuli, die gleichzeitig angelegt werden, miteinander verbinden können. Chrisantha Fernando und seine Kollegen am britischen Nationalinstitut für medizinische Forschung in London haben dazu ein entsprechendes theoretisches Modell aufgestellt.

Wie beim Pawlowschen Hund und allen anderen Beispielen assoziativen Lernens können die Bakterien Assoziationen zwischen zwei Stimuli umso stärker erlernen, je öfter sie zusammen auftreten. Der kanadische Neuropsychologe Donald Hebb etablierte eine Erklärung dafür bereits 1945. Heute nennt man die Theorie "Hebbsches Lernen": Nervenzellen, die gleichzeitig feuern, reagieren mit der Zeit stärker aufeinander – sie nehmen eine Verbindung zueinander auf. Im Fall des hungrigen Hundes werden Nervenzellen, die durch den Geruch von Futter angeregt werden, mit den Nervenzellen, die gleichzeitig durch das Geräusch eines Glöckchens angeregt werden, verbunden. Laut Hebbs Theorie ist das "synaptische Gewicht" der Verbindung umso höher, desto öfter die beiden Stimuli gleichzeitig erfolgen.

Bakterien haben jedoch keine Synapsen und keine Nervenzellen. Nichtsdestotrotz gibt es Anzeichen dafür, dass Einzeller lernen können. In den Siebzigerjahren behauptete der Forscher Todd Hennessey, dass Pantoffeltierchen in seinem Labor konditioniert werden konnten. Er verpasste ihnen einen Stromschlag und koordinierte dies mit dem Betätigen eines Buzzers. Nach dem "Training", so Hennessey, seien die Einzeller vom Buzzer weggeschwommen, was sie vorher nicht getan hätten. Dieses Ergebnis konnte später nie ganz verifiziert werden, doch ergibt sich daraus zumindest ein für Forscher höchst interessanter Anfangsverdacht, dass auch Einzeller assoziativ lernen können.

Das Team von Fernando hat nun ein Modell vorgeschlagen, wie man Bakterien trainieren könnte. Er hat dazu eine Art Zellschaltkreis entworfen, der aus verschiedenen Genen und ihren Promotoren besteht, die Proteine (Transkriptionsfaktoren) herstellen, die als Schalter dienen können. Ähnlich wie in einem Chip können sie entweder auf der Position "ein" oder "aus" stehen. Der theoretische Schaltkreis besteht aus drei von Fernando vorgeschlagenen Genen. Zwei davon, A und B, produzieren die Proteine pA und pB, die mit anderen Transkriptionsfaktoren, iA und iB, reagieren, um schließlich das dritte Gen, C, zu aktivieren.

Die Genprodukte pA und pB würden in der Zelle bestehen bleiben und deshalb als Gedächtnis dienen, das eine lange Zeit nach der Herstellung bestehen bleibt. Ihre Konzentration ist das Äquivalent zum synaptischen Gewicht beim Pawlowschen Hundemodell. Nur im Zusammenhang mit diesen Molekülen können iA und iB (das Analog zu Geruch und Glöckchen) ihren Effekt haben. Bringen die Forscher dann iA und iB zusammen, kann das Bakterium auf iB reagieren, während es vorher nur auf iA reagierte. Das bedeutet, dass das Bakterium auf iB "trainiert" wurde, sagt Fernando.

Eva Jablonka, theoretische Biologin an der Universität von Tel Aviv und eine führende Forscherin auf dem Gebiet, kann die Idee nachvollziehen. "Das ist konzeptionell zwar etwas schwierig, doch wenn man sich die Definition des Lernens ansieht – weil etwas passiert, ergeben sich physische Spuren, die die Schwelle der Reaktion in der Zukunft verändert – dann wurde das hier erreicht." Fernando demonstriere so eindeutig assoziatives Lernen.

Das Modell basiert auf der Annahme, dass solche chemisch-genetischen Schaltkreise auch geschaffen und in ein Bakterium wie E. coli eingeführt werden können. "Auf theoretischer Ebene erscheint mir das durchaus möglich und ich sehe keine großen Hürden bei der Konstruktion der vorgeschlagenen Vektoren." Jablonka selbst publizierte erst kürzlich eine eigene Studie zum Thema Konditionierung einzelliger Organismen.

Fernando schätzt, dass die bei dem Bakterium hervorgerufenen Veränderungen problemlos den 30minütigen Lebenszyklus von E. coli überstehen würden. Dies würde die Veränderungen, das "Lernen", vererbbar machen. Das wäre ein besonders wichtiger Punkt für medizinische Anwendungen eines solchen trainierten Bakteriums. "Schließlich dauern Krankheiten oder Medikamentendosierungen länger als 30 Minuten", meint Jablonka.

Der Trick würde darin bestehen, Bakterien zu trainieren, chemische Prozesse im Körper festzustellen, die mit Gefahren für diesen assoziiert werden. Dies könnten beispielsweise Nebenwirkungen auf Medikamente sein oder die Präsenz von Tumorzellen, was wiederum die Aktivierung eines Wirkstoffes in bestimmten Gewebebereichen hervorrufen würde.

Die Forschung an gentechnisch veränderten, fernsteuerbaren Bakterien, die Wirkstoffe freisetzen, läuft bereits. 2005 schlug ein Team der US-Nationalinstitute für Gesundheit genetische Veränderungen an natürlich vorkommenden Bakterien vor, die Wirkstoffe gegen HIV freisetzen sollen. Die Möglichkeit, ein solches Bakterium zu trainieren, um diesen Job effizienter zu erledigen, könnte dem Forschungsgebiet neuen Auftrieb verleihen. (bsc)