Lasst uns abstimmen!

Wenn Zellen, gleich ob als Einzeller oder als Bestandteile multizellulärer Organismen, Gemeinschaftsleistungen vollbringen müssen, verabreden sie sich dazu über einen Prozess, den die Wissenschaft "Quorum Sensing" nennt. Forscher haben nun nachgestellt, wie dieser auch zwischen Zellen unterschiedlicher Spezies funktionieren könnte

Woher weiß eine Zelle, dass genau jetzt die Zeit für ein bestimmtes, genetisch veranlagtes Programm gekommen ist? Woher kennt der einzelne Einzeller die für eine Population optimale Bevölkerungszahl? Informationen, die bereits in der Zelle selbst vorhanden sind, genügen dazu nicht - sei es, dass sie gar keinen Kontakt zur für die anstehende Aktion entscheidenden Außenwelt besitzt, sei es, dass der bevorstehende Prozess nur erfolgreich ist, wenn er in Gemeinschaftsarbeit angestoßen wird. Das genetische Programm nutzt der Zelle in so einer Situation auch nicht viel: es beschreibt zwar en Detail, was geschehen soll, aber es kann oft keinen genauen Startzeitpunkt definieren.

Tatsächlich „sprechen“ die Einzeller einer Kolonie oder die Bestandteile eines Mehrzellers (inklusive der Zellen im menschlichen Körper) ständig miteinander - über einen Prozess, der den Namen „Quorum Sensing“ bekommen hat, den man aber bisher nur in Ausnahmefällen durchschaut hat. Prinzipiell geht es dabei um eine fortlaufende Abstimmung der Zellen untereinander, die etwa durch einen an die Gemeinschaft abgegebenen Stoff gesteuert wird.

Der einzelnen Zelle obliegt die Überprüfung, ob für diesen Stoff bereits ein bestimmter Grenzwert, ein Quorum, überschritten wurde - im positiven Fall weiß sie, dass nun genügend Mitglieder der Community startbereit sind. Solche Prozesse kennt man in ihrer grundlegenden Form zum Beispiel aus der Populationssteuerung bei Bakterienkolonien.

Auch die Biolumineszenz des Bakteriums Vibrio fischeri funktioniert über Quorum Sensing - erst, wenn eine bestimmte Mindestkonzentration von V. fischeri erreicht ist, beginnen die Zellen zu leuchten. Dass man in diesem Fall den Prozess bereits durchschaut hat, liegt aber vor allem daran, dass er hier so einfach abläuft.

Vibrio fischeri produziert ein spezielles Enzym, das auch die Zellwand überwindet und - zumindest, wenn genügend Bakterien-Kollegen anwesend sind, die Konzentration des Enzyms in den Zellen erhöht.

Ab einer Zelldichte von 10 hoch 10 bis 10 hoch 11 Zellen pro Milliliter wird dann die Biolumineszenz aktiviert. Dass Quorum Sensing auch über Artgrenzen hinweg funktioniert, konnten Forscher bereits zeigen - etwa an der Population des menschlichen Darms. Voraussetzung war hier allerdings stets, dass die Botschafter-Moleküle sich in einer Flüssigkeit ausbreiten konnten. Wissenschaftler von der ETH Zürich und des Institut Universitaire de Technologie im französischen Villeurbanne haben nun ein funktionierendes Modell entwickelt, wie der Prozess zwischen Zellen verschiedener Spezies auch über den Luftweg ablaufen könnte.

Dabei handelt es sich zwar um ein künstliches Ökosystem, doch der erfolgreiche Versuch lässt Rückschlüsse auf die Abläufe beim natürlichen Vorbild zu. In dem Experiment, das in der aktuellen Ausgabe von PNAS beschrieben wird, benutzen die Wissenschaftler Acetaldehyd als gasförmigen Botenstoff. Als Sender fanden gentechnisch veränderte Zellen Anwendung, unter anderem aus den Eierstöcken von Hamstern, menschlichen embryonalen Nierenzellen, Exemplaren des Bakteriums E. Coli, Zellen der Backhefe sowie aus Gartenkresse-Pflänzchen.

Empfänger waren jeweils Säugetierzellen - womit die Forscher zeigen konnten, dass die intrazelluläre Kommunikation auch über Artgrenzen hinaus funktionieren kann. Zudem konnten sie auf diese Weise die verschiedenen Arten nachahmen, in denen Zellen miteinander koexistieren: in einem parasitären Verhältnis etwa oder in einem symbiotischen.

In einem weiteren Versuch testeten die Wissenschaftler, ob der Prozess auch in kompletten lebenden Organismen umsetzbar ist - mit Erfolg: entsprechend veränderte Mäuse, die Alkohol mit der Nahrung aufnahmen, wiesen im Anschluss eine veränderte Eiweißkonzentration im Blut auf. Entsprechende, künstlich erzeugte Signalwege, so die Hoffnung, könnte man in Zukunft womöglich dazu nutzen, spezifische therapeutische Antworten etwa auf Pathogene zu erzeugen. Man muss dem Patienten dann sein Heilmittel nicht mehr spritzen, sondern könnte dessen Produktion in einem Implantat über einen simplen Botenstoff anregen, der von außen zugeführt wird.