Caballeronia insecticola

Von Superkäfern und Bohrköpfen

Es ist Juni und die Tage werden länger. Tatsächlich bewegen wir uns in großen Schritten auf den längsten Tag des Jahres zu. Umso schöner ist es, wenn das Wetter mitspielt und man laue Frühsommerabende draußen verbringen kann – wenn da nicht diese ganzen Käfer wären. Gerade in der Dämmerung scheinen sie zu tausenden herumzuschwirren. Und jetzt stellt euch vor, unter diesen Käfern gäbe es einen mit Superkräften. Einen, der viel größer und stärker ist, als die anderen und um ein Vielfaches weiter fliegen kann. Das ist gar nicht so absurd, wie es beim ersten Hören erscheinen mag. Dieses Phänomen ist tatsächlich beobachtet worden, allerdings nicht bei unseren gewöhnlichen Mai- und Junikäfern, sondern beim Bohnenkäfer Riptortus pedestris. Dieser ist im asiatischen Raum, vor allem in Südkorea und Japan beheimatet und befällt dort als Agrarschädling die Pflanzen von Hülsenfrüchten wie beispielsweise Sojabohnen. Und einige dieser Käfer entwickeln sich eben zu wahren Superkäfern – schneller, größer und hungriger als ihre Artgenossen. Einen Pakt mit dem Teufel müssen sie dafür nicht eingehen, dafür allerdings mit einer ganz besonderen Mikrobe. Um genau diese Mikrobe, die auf den Namen Caballeronia insecticola hört, soll es heute gehen.

Aber zunächst zurück zum Wirt, denn bevor wir verstehen können, was seinen mikroskopisch kleinen Büdnispartner so besonders macht, müssen wir uns das große Ganze ansehen. Riptortus pedestris ist ein etwa 1,5 cm großer, brauner Käfer mit einem langgestreckten Körper und langen, dünnen Beinen. Soweit erstmal nicht ungewöhnlich. In seinem Larvenstadium, in dem der Käfer etwas an eine Ameise erinnert, lebt der Riptortus pedestris in der Erde. Und eben dort trifft er auf Caballeronia insecticola. Das kleine Bakterium gelangt in den Darm der kleinen Larven und verschafft ihnen damit einen unglaublichen Vorteil. Forschende aus Südkorea verglichen männliche Bohnenkäfer, die Caballeronia insecticola in ihrem Darm trugen, mit solchen die nicht infiziert waren – und stellten dabei einige beeindruckende Unterschiede fest. Die Caballeronia-tragenden Männchen waren deutlich größer und schwerer als die, die ohne den Symbionten lebten. Das schien vor allem daran zu liegen, dass sie viel effizienter Nahrung aufnehmen konnten. Zusätzlich wurde deutlich, dass die…  ich nenne sie der Einfachheit halber jetzt mal Caballeronia-Männchen. Naja, auf jeden Fall hatten die Caballeronia-Männchen deutlich stärkere Hinterbeine. Diese benutzen die Männchen unter anderem im Kampf gegen andere Männchen, beispielsweise auf der Suche nach Partnerinnen für die Paarung. Die Bakterien in ihrem Darm ein Zuhause zu geben, bringt den Käfern also einen bedeutenden Vorteil, wenn es darum geht, sich zu vermehren. Doch nicht nur das, die Caballeronia-Männchen konnten sich auch deutlich schneller bewegen und viel weitere Strecken zurücklegen. Bis zu 170 mal weiter als die Vergleichskäfer und damit insgesamt 1.4 km weit konnten sie fliegen. Caballeronia insecticola verschafft den Bohnenkäfern also nicht nur Vorteile in der Vermehrung, sondern auch in der Verbreitung. Durch die weiteren Flugdistanzen können die Caballeronia-Käfer leichter neue Nahrungsquellen finden und erschließen. Für die Menschen, deren Nahrung von den befallenen Pflanzen abhält ist das natürlich weit weg von ideal. Zumal das Zusammenleben von Caballeronia insecticola mit dem Bohnenkäfer noch einen ganz anderen Effekt hat. Tatsächlich konnte nämlich beobachtet werden, dass Caballeronia-Männchen sich von vielen Insektiziden gar nicht beeindrucken machen. Scheinbar kann Caballeronia insecticola die Insektizide für den Käfer entgiften und somit dafür sorgen, dass der Käfer resistent wird. Wir sehen also, die mit Caballeronia infizierten Männchen profitieren ganz schön von den Mikroben, die in ihrem Darm leben. Auf die Größe und Stärke der Weibchen hat die Symbiose mit Caballeronia insecticola keinen großen Effekt. Allerdings konnte beobachtet werden, dass die Caballeronia-Weibchen in früheren Erwachsenenstadien Eier legten als ihre Caballeronia-freien Artgenossinnen. Zudem legten die infizierten Weibchen auch deutlich mehr Eier, so dass ein deutliches Wachstum der Population zu messen war. Bis zu 1.9 mal größer konnte die Population werden, wenn nur ein Viertel der Bohnenkäfer Caballeronia insecticola in sich trugen. Jetzt, wo wir wissen, welche Auswirkungen die Symbiose mit Caballeronia insecticola hat, wollen wir uns aber mal anschauen, wie die Zusammenarbeit überhaupt zustande kommt und mit welchen Überraschungen Caballeronia insecticola selbst noch aufwarten kann.

Wie bereits erwähnt lebt Caballeronia insecticola im Darm von Riptortus pedestris. Dort gelangen die etwa 2.5 µm langen und 1 µm breiten Bakterien bereits sehr früh hin. Schon im zweiten Larvenstadium der Käfer wird Caballeronia aus der Erde aufgenommen und gelang dann in den Darm. Dort löst Caballeronia insecticola die Ausbildung sogenannter Darmkrypten aus. Dabei handelt es sich um spezialisierte Ausstülpungen im Darm, die symbiontischen Mikroben ein Zuhause bieten können. Oftmals bleiben diese Ausstülpungen mit dem Darmlumen verbunden, nicht aber bei Caballeronia insecticola. Die Besiedelung mit den Bakterien bewirkt nämlich, dass sich die Krypten schließen und aus ihnen vom Darm abgetrennte Regionen werden. Diese Abtrennung verhindert, dass eine zweite Besiedelung mit einer anderen Mikrobenart erfolgen kann und sichert Caballeronia damit nicht nur einen konkurrenzfreien Platz, sondern ein eigenes symbiontisches Organ im Körper der Käfer. Diese Beeinflussung der Ausbildung des Darms ist wahrscheinlich auch die Kunst, mit der Caballeronia es schafft, den infizierten Käfern ihren Wachstumsvorteil zu bieten. Durch effizientere Nahrungsaufnahme über die Darmzellen können die Caballeronia-Käfer ihre Ressourcen vermutlich viel besser nutzen und besser wachsen und gedeihen.

Schauen wir uns aber mal die Größenordnungen an, von denen wir hier sprechen. Die Larven, in denen sich Caballeronia ansiedelt sind vielleicht einen Zentimeter groß, eher etwas kleiner. Ihr Darm misst damit weniger Millimeter und ist ähnlich verschlungen und verwunden, wie der menschliche Darm. Dadurch entstehen sehr enge Passagen, durch die Caballeronia durchmuss, um zu den Darmkrypten zu gelangen. Die größte – oder eigentlich besser, die kleinste – Herausforderung stellt der Eingang zu den Darmkrypten selbst dar. Dieser ist nur 1 µm breit und damit etwa so groß wie der Durchmesser einer Caballeronia-Zelle. In diesem schmalen Gang muss die kleine Mikrobe eine Strecke von etwa 200 µm zurücklegen, um in die Darmkrypten zu gelangen. Das wäre, wie wenn ein durchschnittlicher Mensch durch einen Schacht kriechen müsste, der etwa seiner Schulterbreite entspricht – also vielleicht 40 bis 50 cm. Und das für eine Strecke von knapp 300 m. Wer bei dieser Vorstellung Beklemmungsgefühle bekommt, ist sicher nicht allein. Auch für das Bakterium ist das alles andere als eine leichte Aufgabe. Aber Caballeronia hat eine Methode entwickelt, um sich dieser Herausforderung zu stellen.

Caballeronia insecticola besitzt, wie viele andere Bakterien, Flagellen zur Fortbewegung. Diese bilden lange, gewundene Fäden, die bei Caballeronia insecticola vor allem am Pol, als dem kurzen Ende der Zelle angebracht sind. Mit dem sogenannten Hook oder Haken werden diese Fäden in der Zellmembran fixiert und mit einem Proteinkomplex verknüpft, der wie ein Rotor funktioniert. Dreht sich nun dieser Rotor, dreht sich auch das Flagellum mit und verdrängt durch seine gewundene Form die Flüssigkeit in der Umgebung. Wie ein Motor treibt das Flagellum also das Bakterium voran. Übrigens kann der Rotor auch in die andere Richtung drehen und das Bakterium quasi zurückziehen, das ist aber der seltenere Verwendungsmodus. Die Flagellen funktionieren aber allgemein am effizientesten, wenn sich Flüssigkeit in der Umgebung befindet. Das ist im winzig kleinen Durchgang zu den Darmkrypten jetzt eher nicht der Fall. Deshalb hat sich die Evolution für Caballeronia insecticola etwas ganz besonderes ausgedacht. Forschende um Daisuke Nakane von der Universität für Elektrokommunikation in Tokio konnten nämlich beobachten, wie Caballeronia sich die Flagellen um den eigenen Körper schlingt. Damit wird das ganze Bakterium zu einem kleinen Bohrkopf. Die Flagellen rotieren um den kleinen Körper und schieben ihn damit Stück für Stück durch den engen Gang. Durch diesen klugen Trick kann Caballeronia insecticola nun den Darm des Käfers besiedeln und all die Vorteile mit sich bringen, die das eben hat.

Die Forschenden aus Tokio untersuchten natürlich auch, wie Caballeronia das schafft und ob vielleicht auch andere Mikroorganismen dazu in der Lage sind. Tatsächlich scheint der Hook oder Haken, der die Flagellen am Rotor in der Zellmembran fixiert ein entscheidender Faktor zu sein. Bei Caballeronia insecticola ist dieser Hook sehr flexibel, so dass es eben möglich wird, dass sich die Flagellen ganz um den Körper schlingen. Bei anderen Spezies, bei denen der Hook etwas fester ist, geht das eben nicht so einfach. Eine andere Spezies, die etwas ähnliches kann, kennen findige Hörende schon aus diesem  Podcast. Bei dieser Mikrobe handelt es sich ebenfalls um einen Symbionten für ein anderes kleines Tierchen und vermutlich nutzt sie diese Art der Fortbewegung auf sehr ähnliche Art und Weise. Hierbei geht es um Aliivibrio fischeri, den Organismus, der das Lichtorgan des Hawaiianischen Zwergtintenfisches bewohnt.

Aber zurück zu Caballeronia insecticola. Dieses zunächst unscheinbar wirkende Bakterium beweist in Symbiose mit einem ebenso unscheinbaren Käfer, was Mikroben alles bewirken können. Auf welch komplexe Art und Weise Caballeronia die Ausbildung von Darmschlingen im Käfer bewirkt und wie es den Käfern damit einen Vorteil gegenüber Artgenossen bringt sind dabei nur zwei von vielen spannenden Aspekten. Die ungewöhnliche Fortbewegungsart, bei der sich Caballeronia die Flagellen um den Leib schlingt, um sich wie ein Bohrkopf durch enge Passagen zu schrauben hat übrigens nicht nur Mikrobiologen fasziniert, sondern auch Forschende der Mikrorobotik. So könnten solche oder ähnliche Mechanismen dazu genutzt werden, Mikroroboter durch winzige Passagen zu befördern, bspw. wenn es um die gezielte Abgabe von Medikamenten in Blutgefäßen oder Geweben geht. Hier können wir also die Augen und Ohren offenhalten und abwarten, was die Zukunft noch für uns bereithält.

Wenn euch also das nächste mal, wenn ihr einen lauen Frühsommerabend draußen verbringen wollt, zahlreiche Käfer umschwirren, erinnert euch daran, was für eine faszinierende Mikrobenwelt sich vielleicht in ihrem Inneren verbirgt. Ob das die Käfer nun weniger nervig macht oder nicht, das ist immer noch euch überlassen.