Myxococcus xanthus

Jäger der Mikrobenwelt

Wenn wir über Mikroorganismen, insbesondere Bakterien sprechen, ist das Bild, was sich ergibt oft eines von Einzelgängern - einzelligen Organismen, die in einer undefinierten Suppe herumschwimmen und dort ihrem Tagesgeschäft nachgehen. Dieses Tagesgeschäft kann, wie alle wissen, die schon ein paar Beiträge hier gelesen haben, vielfältig sein – ob mit Tintenfischen im Meer herumschwimmen, Lebensmittel herstellen oder Risse in Zement reparieren, all das können Mikroben. In diesen Geschichten haben wir aber auch schon erfahren, dass sie ihre diversen Aufgaben eben nicht nur als Einzelgänger erfüllen, sondern manchmal eben Paradebeispiele der Zusammenarbeit bilden. Um ein Bakterium, dass seit seiner Entdeckung in den 1940er Jahren zu einem Modellorganismus von sozialem Verhalten geworden ist, während es gleichzeitig in riesigen Rudeln Jagd auf andere Bakterien macht, soll es heute gehen.

Die Rede ist von Myxococcus xanthus. Der Name leitet sich vom griechischen myxa ab, was so viel wie Schleim bedeutet, während coccus die runde Form der Sporen von Myxococcus beschreibt. Xanthus kommt ebenfalls aus dem griechischen und lässt sich mit „goldfarben“, „blond“ oder „gelb“ übersetzen. Diese Farbe ist vor allem bei den Fruchtkörpern von Myxococcus xanthus zu beobachten – was es damit genau auf sich hat, darauf kommen wir später noch einmal zurück. Jetzt wollen wir uns aber erst mal anschauen, was diese Mikrobe zu so einem Paradebeispiel der Zusammenarbeit macht und welche ungewöhnliche Form der Nahrungsbeschaffung sie so an den Tag legt.

Myxococcus xanthus ist eigentlich ein Bodenbakterium und lebt vorwiegend auf altem organischem Material, wie beispielsweise zerfallendem Laub, aber auch Dung. Jetzt liegt natürlich die Vermutung nahe, dass das Bakterium das alte Laub und alles, was dort noch so rumliegt zersetzt und sich davon ernährt – aber weit gefehlt. Vielmehr verhält sich Myxococcus xanthus wie ein Löwe am Wasserloch. Denn wo sich zersetzendes organisches Material ist, sind viele Mikroorganismen – und auf eben jene hat es Myxococcus xanthus abgesehen. In Gruppen von tausenden bis hunderttausenden von Zellen rottet sich das Bakterium zusammen, um einen großen räuberischen Schwarm zu bilden. In einer erstaunlich koordinierten Bewegung schwärmen die Bakterien nun gemeinsam aus und begeben sich auf die Suche nach ihrer Beute. Unter dem Mikroskop beobachtet, sieht es aus wie Wellen, die vom Wind über einen See getrieben werden, wenn sich die Bakterien kollektiv vorwärts schieben.

Besonders perfide ist dabei, dass Myxoccus die Ziele seiner Jagd quasi bespitzeln kann, um damit herauszufinden, wo sich besonders viele Mikroben auf einem Haufen befinden. Einige Mikroorganismen, insbesondere gram-negative Bakterien, besitzen nämlich die Fähigkeit untereinander zu kommunizieren. Das dient unter anderem der Feststellung der Populationsdichte, wobei sogenannte Homoserinlactone Anwendung finden. Dabei handelt es sich um Signalmoleküle, die bakterielle Zellen in einem Prozess, der Quorum Sensing genannt wird, ausstoßen und wahrnehmen können. Je mehr Bakterien sich an einem bestimmten Ort befinden, desto mehr dieser Signalmoleküle sammelt sich an und so können bakterielle Gemeinschaften quasi durchzählen, schauen, wie viele von ihnen sich an einem Ort befinden und dann entsprechend ihre Verhaltensweisen anpassen. Das ist sehr gut für die Gemeinschaft, in diesem Fall aber noch besser für Myxococcus xanthus – denn diese Mikrobe kann die Homoserinlacton-Signale gewissermaßen abhören und dadurch erkennen, dass sich in der Umgebung potentielle Beute befindet.

Sobald diese Beute dann lokalisiert ist, beginnt das Rudel mit dem Ausschütten eines tödlichen Cocktails. Auf über 130 sekundäre Metaboliten kann Myxococcus xanthus dabei zurückgreifen und aktuellen Vermutungen zu Folge verändert sich je nach Beuteorganismus, welche Stoffe sich im abgegeben Mix befinden. Um das sicher zu belegen ist aber noch einiges an Forschung notwendig. Sind die Zellen abgetötet und aufgelöst, kann sich das Rudel dann über die verfügbaren Nährstoffe hermachen, die wie ein wahres Festmahl vor ihnen aufgebahrt liegen. Ein Stoff, der von den absterbenden Beutezellen freigegeben wird, das Phosphatidylethanolamin sorgt sogar dafür, dass nach einer erfolgreichen Jagd noch mehr Myxococcus-Zellen angelockt werden und von der Nahrungsquelle profitieren können. Ein wirklich ausgefuchstes System also, dass eine Vielzahl kommunikativer Wege ausnutzt, um das Überleben einer Gemeinschaft abzusichern.

Dieses Verhalten, dass ein bisschen an eine gezielte Jagd erinnert, hat Myxococcus xanthus und auch anderen Spezies der Gattung Myxococcus die Bezeichnung des „bakteriellen Wolfsrudels“ eingebracht. Jetzt ist es aber bei Myxococcus xanthus nicht so wie bei den Wölfen, wo es einen Anführer der Gruppe gibt, der die Zusammenarbeit koordiniert. So etwas gibt es bei den Mikroben genauso wenig, wie ein gemeinsames Bewusstsein oder eine gezielte Planung des gemeinsamen Angriffs. Vielmehr spricht man hier von Stigmergie. Dieser Begriff beschreibt das Konzept, dass ein System, in diesem Fall eine Horde von Mikroben, sich dezentral organisiert, in dem sie nicht unmittelbar miteinander kommunizieren, sondern ihre Umgebung so verändern, dass sich daraus eine Art Handlungsanweisung für alle Individuen der Gruppe ergibt. Das klingt jetzt etwas kompliziert, aber ich versuche mal es so gut wie möglich zu erklären. Erstmal schauen wir uns aber an, was das Wort Stigmergie eigentlich ausdrücken soll. Es setzt sich aus den griechischen Worten Stigma und Ergon zusammen, die sich als „Markierung“ und „Arbeit“ übersetzen lassen. Die Idee ist also, dass die Zellen einer Myxococcus xanthus Gruppe eine Markierung oder einen Anzeiger in ihrer Umgebung setzen, dem dann andere Zellen folgen können. Ein gutes und etwas besser vorstellbares Beispiel sind etwa die Straßen, die Ameisen bauen. Sie verteilen während ihrer Arbeit nämlich Pheromone, also Duftstoffe, die anderen Ameisen den Weg zu einem Bau oder auch einer Nahrungsquelle zeigen können. Nach einem sehr ähnlichen Prinzip funktioniert auch Myxococcus xanthus.

Für das Bakterium sind prinzipiell zwei Arten der Fortbewegung beschrieben, die A- und die S-Motilität. Die A-Motilität ist die wörtlich „abenteuerliche“ Fortbewegung. Dabei tritt eine einzelne Myxococcus-Zelle ihren Weg an. Dabei gleitet sie auf einer Art Schleimspur aus Exopolysacchariden, die dann wiederum einer nachfolgenden Zelle als Richtungsgeber dienen kann. Ziemlich genau so wie bei den Ameisen. Myxococcus hat aber auch noch eine zweite Fortbewegungsart. Das ist die sogenannte S-Motilität oder „soziale“ Fortbewegung. Diese bedingt ein Vorangleiten der Zellen, vor allem dann, wenn sie sich im direkten Kontakt mit einer Zelle befindet, die ebenfalls gleitet. Beginnt also eine Zell mit der Gleitbewegung, folgen sofort die in ihrem direkten Umfeld nach und beginnen sich in die gleiche Richtung zu bewegen. In dichten Gemeinschaften ergeben sich dadurch ganze Konglomerate von Zellen, die sich in dieselbe Richtung bewegen – ganz ohne sich zentral abgestimmt zu haben.

Obwohl wir jetzt vor allem über den Jäger Myxococcus xanthus gesprochen haben, möchte ich auch ein kurzes Wort über die Beute verlieren. Diese ist nämlich sehr vielseitig und umfasst auch einige Mikroben, über die ich schon im Podcast gesprochen habe, Escherichia coli zum Beispiel oder Bacillus subtilis. Obwohl diese hier zur Nahrungsquelle werden, stehen auch sie aber nicht ganz ohne Möglichkeiten, sich zu verteidigen da. Bacillus subtilis kann zum Beispiel Biofilm-Megastrukturen ausbilden, um einen Angriff durch Myxococcus xanthus abzuwehren. Dazu werden ganz viele Sporen, also die resistenten Dauerformen des Bakteriums ausgebildet und zusammengelagert. Gegen ihre harte Schale und Widerstandsfähigkeit hat auch ein geübter Jäger wie Myxococcus keine Chance. Das wollte ich nur der Vollständigkeit halber erwähnen, auch wenn die Details dieser Abwehr jetzt etwas zu weit führen würden. Myxococcus xanthus hat nämlich noch so einiges anderes zu bieten.

Spannend wird es zum Beispiel auch dann, wenn es um die Beutebestände nicht mehr so gut gestellt ist und die Jagd eher selten zum Erfolg führt. Wenn Myxococcus die Nahrungsgrundlage fehlt, greift ein weiterer beeindruckender Mechanismus, der die sozialen Fähigkeiten von Myxococcus xanthus unterstreicht. Dann kommen nämlich hunderttausende von Zellen zusammen und bilden sogenannte Fruchtkörper. Diese Ansammlungen von Zellen sehen fast aus wie kleine Bäumchen oder Pilze, die sich von der Oberfläche auftürmen. Sie bilden Reservoirs, in denen Zellen sich geschützt aufhalten können, bis die Nahrungslage besser wird. Doch hier gilt nicht das Prinzip „Jeder für sich selbst“, sondern auch hier greift ein hohes Maß an Kooperation, dass das Bestehen der Spezies sichert. Mit der Bildung der Fruchtkörper beginnt ein Prozess der Ausdifferenzierung. Nur ein kleiner Teil der Zellen, die zum Aufbau eines solchen Gebildes strömen, erhalten nämlich Eintritt ins geschützte Innere. Sie werden zu Sporen, also ebenfalls diesen resistenten Dauerformen, die vor mechanischem und chemischem Stress geschützt sind und lange ohne Nährstoffe ausharren können und lagern sich dann ins Innere der Fruchtkörper ein. Diese Sporen sind annähernd rund und haben eine charakteristische gelbe Farbe, die der Spezies auch ihren Namen gegeben hat. Sie sehen ein bisschen aus wie Miniatursenfkörner und zu bis zu 0,7 mm großen Strukturen zusammengelagert, sind sie manchmal sogar mit bloßem Auge erkennbar. Ein weiterer kleiner Anteil der Zellen, die sich im Rudel befinden, verbleiben im Normalzustand und befinden sich außerhalb des Fruchtkörpers, wo sie neue Nahrungsquellen erschließen können. Jetzt habe ich zwei Mal von kleinen Anteilen von Zellen gesprochen – was passiert denn aber nun mit dem Großteil? Für die habe ich leider keine guten Nachrichten, denn diese Zellen werden selbst zur Nahrung. Zum Erhalt der Spezies werden sie ebenfalls aufgelöst und bilden den verbleibenden Zellen eine Grundlage, die ihnen hilft die mageren Zeiten zu überdauern. Sobald die Nährstoffversorgung wieder besser wird, differenzieren die Sporen in kürzester Zeit wieder zu vollwertigen Zellen auf und bilden ein neues Rudel – die Jagd beginnt von vorn.

Ich hoffe, ich konnte euch heute vermitteln, was für ein faszinierendes Bakterium Myxococcus xanthus ist und wie hoch das Maß an Kooperation in der Welt der Mikroben sein kann, auch wenn das vorherrschende Bild immer noch oft das eines Einzelgängers ist. Gerade Myxococcus bietet so viel mehr, denn zwischen Zusammenarbeit und Abstimmung ergeben sich immer auch Konflikte, manche profitieren mehr als andere, es gibt sogar Untersuchungen zu Individuuen, die gewissermaßen das System „Myxococcus“ zu ihrem eigenen Vorteil nutzen. Wie ihr seht, ist Myxococcus xanthus nicht ohne Grund als „Sozialer Jäger“ im Jahr 2020 zur Mikrobe des Jahres ausgerufen worden. Und auch in der Forschungswelt ist das Bakterium ein wichtiger Spieler. Nicht nur die Kommunikationsfähigkeiten und der komplexe Lebenszyklus von der Jagd zum Fruchtkörper spielen hier eine Rolle. Auch der Cocktail an verschiedenen antimikrobiellen Substanzen macht Myxococcus zu einem durchaus spannenden Forschungsobjekt. Gerade in der aktuellen Zeit stehen wir multiresistenten Keimen zunehmend machtlos gegenüber und Myxococcus xanthus bildet nicht nur eine Quelle für neue Antibiotika wie das Corallopyronin, sondern kann uns vielleicht auch ein Beispiel sein, wie sich verschiedene Wirkstoffe und gezielte Abwehrmechanismen kombinieren lassen, um unerwünschte Mikroben zu bekämpfen. Unser winziges Wolfsrudel hat also noch so einiges mehr zu bieten als seine durchaus beeindruckende Fähigkeit zur Kommunikation und Kollaboration.

Links & weitere Infos

Pressemitteilung Mikrobe des Jahres 2020

Erstbeschreibung von M. xanthus

Beebe, J.M. (1941) , Journal of Bacteriology, 42(2), S. 193–223.

M. xanthus als Jäger

Berleman, J.E. und Kirby, J.R. (2009), FEMS microbiology reviews, 33(5), S. 942–957.

Contreras-Moreno, F.J. u. a. (2024), Frontiers in microbiology, 15, S. 1339696.

Kearns, D.B. und Shimkets, L.J. (2001), Trends in Microbiology, 9(3), S. 126–129.

Lloyd, D.G. und Whitworth, D.E. (2017), Frontiers in Microbiology, 8.

Müller, S. u. a. (2015), Applied and Environmental Microbiology, 81(1), S. 203–210.

Thiery, S. und Kaimer, C. (2020), Frontiers in Microbiology, 11, S. 2.