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Auf der Spur der Bakterien-Weltformel

Forschung Marburg: Bakterien Auf der Spur der Bakterien-Weltformel

In einem neuen Sonderforschungsbereich unter Leitung des Marburger Mikrobiologen Professor Martin Thanbichler wird ab Anfang 2017 untersucht, was sich im Inneren von Bakterien abspielt.

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Die technische Assistentin Julia Rosum bereitet Bakterien im Labor für die Reinigung eines Proteins vor.

Quelle: Nadine Weigel

Marburg. Bakterien sind für den Marburger Mikrobiologen Professor Martin Thanbichler seit vielen Jahren faszinierende Forschungsobjekte (siehe auch „Hintergrund“). „Eine Bakterienzelle kann alles, was zum Überleben notwendig ist, und stellt in sich einen vollständigen Organismus dar“, stellt Thanbichler im Gespräch mit der OP fast bewundernd dar. Einerseits seien sie vergleichsweise einfach aufgebaut, aber trotzdem noch lange nicht in allen Ausprägungen komplett erforscht.

Das Innenleben von Bakterien galt lange Zeit als eine relativ ungeordnete Ansammlung von Enzymen und anderen Makromolekülen. „Lange dachte man, dass Bakterien primitiv sind, denn sie gehörten zu den ältesten Lebensformen auf unserer Erde und sind sehr klein“, berichtet der Mikrobiologe Professor Martin Thanbichler im Gespräch mit der OP.

Bakterien sind Einzeller und haben im Gegensatz zu menschlichen und tierischen Zellen keinen Zellkern. „Zwar weiß man seit längerem, dass Proteine gezielt auf bestimmte Bereiche innerhalb der Bakterienzelle wie etwa die Zellhülle oder das Zell­innere verteilt werden. Aber innerhalb dieser Binnenräume sah man ihre Anordnung bis vor wenigen Jahren als weitgehend zufällig an“, erläutert Thanbichler. Dabei zeigen neue Forschungsergebnisse nach seiner Darstellung, dass bakterielle Zellen Proteine und andere Makromoleküle mit außerordentlicher Präzision und in zeitlich variablen Mustern an festgelegten Orten innerhalb der Zelle positionieren können. Und genau diese Binnengliederung steuere entscheidende zelluläre Prozesse wie etwa Zellteilung oder das Wachstum

„Unser mangelndes Wissen war bislang unter anderem eine Folge technischer Beschränkungen“, erklärt Thanbichler. Doch jetzt können immer leistungsstärkere hochauflösende Fluoreszenz-Mikroskope in Kombination mit Spezialkameras immer genauer auch in das Innere der Bakterienzellen hineinschauen und zudem die Bewegungen der Zellbestandteile immer detaillierter sichtbar machen. Genau das ist der Ausgangspunkt für die geplanten Forschungsarbeiten im neuen Sonderforschungsbereich (SFB) mit dem Titel „Räumlich-zeitliche Dynamik von Bakterienzellen“ (siehe Artikel unten). Das Besondere am SFB ist, dass nicht nur eine spezielle Bakterienart, sondern verschiedene Bakterienarten vergleichend untersucht werden sollen, um grundlegende Prinzipien in der Funktion bakterieller Zellen aufzudecken.

Bakterien-Fitness im Fokus

Die Bakterienzellen kommen im Durchschnitt mit der relativ überschaubaren Zahl von rund 4000 Proteinen aus, hinzu kommen andere Zellbestandteile wie Nukleinsäuren, Metaboliten oder Speicher-Granula. Untersucht werden soll, welche Proteine an der Steuerung bestimmter Prozesse beteiligt sind - wie etwa der Zellteilung, dem Zellwachstum oder der Anordnung der Geißeln (Flagellen), mit denen die Bakterien manövriert werden. Ebenfalls im Fokus stehen die Organisation der Chromosomen sowie die Vervielfältigung und Verteilung der DNA, die die Erbinformationen der Zelle enthält. Gefragt wird von den Forschern, wie unterschiedliche Komponenten zusammenspielen, um die korrekte räumliche Organisation der Bakterienzellen zu gewährleisten.

Eine weitere Frage ist, wie sich dieses Zusammenspiel im Lauf der Evolution verändert hat, um unterschiedliche Organisationsmuster zu erzeugen. „Wir sind gewissermaßen auf der Suche nach der Weltformel für die Bakterien“, erläutert Thanbichler. Dabei wird es spannend sein anzuschauen, was passiert, wenn man in Bakterienzellen durch gezieltes Ausschalten einzelner Komponenten bestimmte Parameter ändert. Das kann natürlich immer wieder zu unvorhergesehenen Nebeneffekten führen, was die Forschung schwieriger macht.

Untersucht werden sollen insbesondere die Eigenschaften der Bakterien, die deren Fitness und ihr Überleben sichern. „Wenn wir Bakterien bekämpfen oder nutzen wollen, dann müssen wir wissen, wie sie funktionieren“, erklärt Thanbichler. Eine zukünftige Anwendungsmöglichkeit könnte im Design künstlicher Bakterien für biotechnologische Anwendungen bestehen. Sie könnte aber auch Angriffspunkte für die Entwicklung neuartiger Antibiotika bieten. Die Entwicklung solcher Medikamente wäre dann aber nicht mehr die Aufgabe der Bakterienforscher.

von Manfred Hitzeroth

16 Arbeitsgruppen kooperieren uni-übergreifend

Für den hochschulübergreifenden Sonderforschungsbereich SFB/Transregio 174 haben sich ­Arbeitsgruppen aus ­Marburg, Gießen und München zusammengetan.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert das neue Konsortium ab Anfang 2017 zunächst für vier Jahre mit 6,4 Millionen Euro. Eine zweimalige Verlängerung von jeweils vier Jahren ist bei erfolgreicher Begutachtung möglich. Professor Martin Thanbichler ( Foto: Nadine Weigel), Sprecher des Verbunds, freut sich sehr über die positive Mitteilung von der Bewilligung, die am 7. Dezember eingegangen ist. Unter den rund 260 Sonderforschungsbereichen in Deutschland gibt es überhaupt nur vier mit Themen aus der Mikrobiologie. „Die Bewilligung des neuen Sonderforschungsbereichs ist ein erneuter Beleg dafür, wie außerordentlich forschungsstark unsere Universität in der Mikrobiologie ist“, sagt der Marburger Uni-Vizepräsident Professor ­Michael Bölker.

Und auch Thanbichler macht im Gespräch mit der OP deutlich, wie vielfältig die mikrobiologische Forschungsszene vor Ort ist. So gebe es mehr als 30 Gruppen, die sich wissenschaftlich mit dem Thema Bakterien beschäftigen, was Marburg zu einem der weltweit führenden auf diesem Forschungsgebiet mache.

Der neue Sonderforschungsbereich bringt sieben Arbeitsgruppen aus Marburg und eine aus Gießen mit acht Münchner Teams von der Ludwig-Maximilians-Universität, der Technischen Universität sowie dem Max-Planck-Institut für Biochemie zusammen. Aus den experimentell ermittelten Daten sollen theoretische Modelle entwickelt werden, die zeigen, wie die Vielzahl miteinander ­interagierender Faktoren zu einer funktionalen Einheit integriert werden.

„Um zu testen, ob wir das Zusammenwirken richtig verstanden haben, sollen ausgewählte Systeme dann nachgebaut werden“, erläutert Thanbichler. Das Besondere ist die Zusammenarbeit von Mikrobiologen und theoretischen Physikern, die sich auf das Verständnis und die Analyse biologischer Prozesse spezialisiert haben. Der Forschungsverbund greift hierfür auf umfangreiches Know-how in der mikroskopischen Analyse lebender Zellen, in der Protein-Biochemie, in mathematischer Modellrechnung und synthetischer Biologie zurück.

„Jüngste Fortschritte in Mikroskopie und Bildgebungsverfahren eröffnen ganz neue Möglichkeiten, mit hoher Genauigkeit und im Detail darzustellen, wo sich Zellkomponenten befinden und wie sich deren Position über die Zeit verändert“, erläutert Professorin Kirsten Jung von der Ludwig-Maximilians-Universität München, stellvertretende Sprecherin des Sonderforschungsbereichs.

So gibt es mittlerweile Fluoreszenz-Mikroskope mit einer sehr hohen Auflösung und Empfindlichkeit, die die einzelnen Moleküle und deren Bewegungen in lebenden Zellen sichtbar machen können. Dadurch, dass diese wichtigen Großgeräte sowohl in Marburg als auch in München bereits vorhanden sind, kann der Großteil der Förderung in den Aufbau einer personellen Infrastruktur investiert werden. So werden Doktorandenstellen sowie Reisestipendien finanziert. Geplant sind zudem regelmäßige Symposien, an denen auch Forscher aus dem Ausland teilnehmen.

 
Hintergrund
„Sie sind überall, auch wenn man sie nicht sieht“, sagt Professor Martin Thanbichler. So stellen sie 50 Prozent der Biomasse auf der Welt und beeinflussen viele Aspekte unseres Lebens. Die Rede ist von Bakterien, den Forschungsobjekten des von Thanbichler geleiteten neuen Sonderforschungsbereiches (SFB). Zwar seien viele Bakterien Krankheitserreger wie die Verursacher der Tuberkulose, der ­Cholera oder anderer Infek­tionen. Doch es gebe auch zahlreiche Bakterienarten, die in Symbiose mit dem Menschen leben und zur Verhinderung von Krankheiten beitragen könnten, sagt Thanbichler. Auch in der Lebensmittelproduktion seien Bakterien essentiell. Beispielsweise seien Milchsäurebakterien bei der Produktion von Joghurt, Käse und Salami aktiv, und bei der alkoholischen Gärung könnten Bakterien ebenfalls eine Rolle spielen, erläutert der Marburger Mikrobiologe. So werde Tequila auch mithilfe von Bakterien hergestellt. Von der Insulinproduktion bis hin zur Abwasserklärung gibt es für Bakterien weitere wichtige Anwendungsbereiche in der Biotechnologie. Im neuen SFB werden acht Bakterienarten erforscht – von Darmbakterien über Bodenbakterien bis hin zu Bakterien, die im Süß- oder Meerwasser leben.
 
Zur Person
Professor Martin Thanbichler (43, Foto: Nadine Weigel) wurde in Laufen an der Salzach im Berchtesgadener Land geboren. Von 1992 bis 1998 studierte er an der Ludwig-Maximilians-Universität München Biologie mit dem Schwerpunkt Mikrobiologie. 2002 schloss er seine Doktorarbeit mit einem Thema aus der bakteriellen Biochemie ab. Von 2002 bis 2006 war er Postdoktorand an der Stanford University (USA). 2007 wechselte er als Leiter einer selbstständigen Arbeitsgruppe an das Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg. 2008 wurde er zusätzlich Juniorprofessor und ab 2014 schließlich Professor für zelluläre Mikrobiologie an der Uni Marburg. Er gehört auch dem LOEWE-Zentrum „Synmikro“ an und ist „Fellow“ der Max-Planck-Gesellschaft. Seine Forschungsschwerpunkte sind die Zellteilung und die Formgebung von Bakterien.
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