Aliivibrio fischeri

17. März

Leuchtende Tarnung

Heute geht es für uns ans Meer. Genauer, an die kilometerlangen Sandstrände und das strahlend blaue Wasser, das sich vor Hawaii in Wellen bricht. Denn dort, in den flachen, warmen Gewässern lauert eine tödliche Gefahr. Zumindest wenn man eine Garnele ist und damit ins Beuteschema des Hawaiianischen Zwergtintenfischs gehört. Mit einer Größe von 30 bis 35 mm passt diese Art, die den wissenschaftlichen Namen Euprymna scolopes trägt, entspannt in einen Tischtennisball. Zudem ist sie, wie ich finde, sehr niedlich anzusehen. Links zu Bildern findet ihr wie gewohnt weiter unten.

Nun handelt es sich beim Hawaiianischen Zwergtintenfisch natürlich nicht um eine Mikrobe. Einen Platz in diesem Podcast hat der kleine Tintenfisch dennoch mehr als verdient. Denn um sich möglichst unbemerkt von Jägern seiner schmackhaften Beute nähern zu können, nutzt Euprymna scolopes eine ganz besondere Fähigkeit des Bakteriums Aliivibrio fischeri – sein Leuchten.

Der Hawaiianische Zwergtintenfisch ist nachtaktiv. Tagsüber gräbt er sich in sandige und schlammige Böden ein und klebt sich sogar Sandkörner auf seinen Rücken, um sich zu verstecken. Erst im Schutz der Dunkelheit kommt er hervor, um zu jagen. Jetzt stellt euch vor, ihr wärt eine Mönchsrobbe vor der Küste von Hawaii, ihr habt großen Hunger und ein Zwergtintenfisch erscheint als idealer Snack. Der Mond scheint hell und sein Licht reflektiert von der Wasseroberfläche, zeichnet durch die Wellen Muster in den Sand. Plötzlich huscht ein Schatten vorbei. Euer erster Instinkt als Mönchsrobbe? Zuschlagen! Das ist ja auch mehr als logisch. Aber für den Tintenfisch ist das natürlich ein Problem. Er kann sich nicht unbemerkt an seine eigene Beute anschleichen. Es sei denn, er tarnt sich und passt sich der Umgebung an – indem er leuchtet. Das kann er allerdings nicht allein. Im Leuchtorgan des Zwergtintenfisches lebt nämlich eine ganze Horde des Leuchtbakteriums Aliivibrio fischeri. Dieses Bakterium erzeugt ein sanftes, blau-grünes Leuchten, das genau die Reflexion des Mondlichts auf dem Wasser imitiert. Damit verschwindet der Tintenfisch vor den Augen seiner Jäger.

Wir schauen uns heute diese Symbiose genauer an. Wie ihr vielleicht noch von Photorhabdus luminescens wisst, ist eine symbiontische Beziehung etwas, von dem beide Partner profitieren. Was hat also Aliivibrio fischeri davon, das Leuchtorgan des Tintenfischs zu besiedeln und ihn damit vor Beute und Fressfeinden zu verbergen? Zunächst einmal ein sicheres Zuhause und ein Futterparadies. Für Aliivibrio fischeri bietet das Leuchtorgan des Tintenfisches einen gut geschützten Lebensraum. Als einziges Bakterium, das diesen Raum besiedelt, können sich die Bakterien hier ungestört ausbreiten, sind vor potenziellen Fressfeinden und starker UV-Strahlung geschützt und haben zusätzlich eine konstante Zufuhr von Nahrung. Chitin, dass vom Tintenfisch produziert wird, dient Aliivibrio als primäre Kohlenstoff- und Stickstoffquelle. Und die Abbauprodukte dieses Chitins locken sogar noch mehr Aliivibrios an. Warum das so wichtig ist, dazu kommen wir gleich. Aber anlocken ist ein guter Stichpunkt.

Wenn die Hawaiianischen Zwergtintenfische geboren werden, haben sie nämlich noch keine Bakterien in ihrem Lichtorgan. Diese locken sie erst durch ihren speziell produzierten Mucus an, eine Art Schleim, der spezifisch Aliivibrio fischeri anlockt und den auch nur diese Bakterien durchdringen können. Unterstützt werden sie dabei durch Zilien und ein sogenanntes Flimmerepithel, eine Hautschicht, die die „richtigen“, also erwünschten Zellen herausfiltern kann. Sobald sie sich angesiedelt haben, erfüllen die Bakterien ihren Teil der Symbiose. Die Reise ins Leuchtorgan ist allerdings kein Daueraufenthalt. Jeden Morgen lüftet der Tintenfisch einmal gründlich durch. In einem Prozess, der „venting“ genannt wird, pustet der Kopffüßer etwa 90 bis 95 Prozent der in seinem Leuchtorgan lebenden Mikroben zurück ins Meer. Die wenigen verbleibenden Mikroben sind dann dafür zuständig, sich über den Tag wieder so weit zu vermehren, dass am Abend das leuchtende Schauspiel von Neuem beginnen kann. Das ist also wie eine tägliche Verjüngungskur für die mikrobielle Gesellschaft. Warum das eine wichtige Rolle spielt, werden wir später noch erfahren.

Woher wissen unsere kleinen Leuchtbakterien jetzt aber, wann und wie sie leuchten müssen? Auf diese Frage gibt es zwei entscheidende Antworten. Erstens hängt das Leuchten stark von der Dichte der Bakterienpopulation ab. Zweitens wird die Leuchtkraft exakt mit dem circadianen Rhythmus des Tintenfischs abgeglichen – also seinem inneren Tag-Nacht-Uhrwerk. Aber lasst uns das Schritt für Schritt anschauen. Ein einzelnes Aliivibrio fischeri, das im Meer herumschwimmt, leuchtet überhaupt nicht. Erst wenn genug Artgenossen beieinander sind, wird Licht produziert. Das ist ein bisschen wie bei der Jahreshauptversammlung eures Lieblingsvereins. Da muss erstmal geprüft werden, ob genug Mitglieder da sind, damit die Versammlung beschlussfähig ist. Aber wie macht ein Bakterium das? Durchzählen können die ja wohl kaum. Tatsächlich erhält Aliivibrio fischeri seine Information darüber, wie viele seiner Art um es herum sind durch einen Prozess namens Quorum Sensing. Quorum ist hierbei ein Begriff aus der Politik und bezeichnet die Anzahl der Mitglieder eines Gremiums, die bei einer Abstimmung anwesend sein müssen. Bei seiner Entdeckung hat dieser Mechanismus ganz schön für Aufsehen gesorgt. Hier wurde nämlich zum ersten Mal klar, dass Bakterien miteinander kommunizieren können. Was vorher als einsames, einzeln herumschwimmendes Lebewesen galt, entpuppte sich plötzlich als Mitglied einer Gesellschaft, die miteinander spricht und sich untereinander abstimmt.

Der Prozess des Qurom sensing selbst ist eigentlich relativ einfach. Jede Bakterienzelle sondert einen chemischen Botenstoff ab, das sogenannte Homoserinlacton, kurz AHL. Aliivibrio hat Rezeptoren, also quasi Sensoren für eben diesen Botenstoff. Diese schlagen aber erst an, wenn eine recht hohe Konzentration an AHL vorliegt. Sobald sich nun genug Bakterien auf engem Raum befinden, wird das Vorkommen an AHL so groß, dass jede Zelle spürt „Wir sind genug!“ Erst dann produzieren sie alle zeitgleich das Enzym, die Luciferase, die letztendlich für die Lichtproduktion durch das blau-grün leuchtende Oxyluciferin verantwortlich ist. So ist auch sichergestellt, dass das Licht stark genug und sichtbar wird. Ein einzelnes Bakterium könnte nämlich kaum einen Tintenfisch verbergen. Im Leuchtorgan des Tintenfisches befinden sich zusätzlich sogenannte Reflektine, als Strukturen, die das Licht der Bakterien bündeln und umleiten können, um die perfekte Gegenillumination zur Tarnung zu erreichen.

Jetzt habe ich aber vorhin auch vom circadianen Rhythmus von Euprymna scolopes gesprochen. Hier hilft das vorhin schon beschriebene venting dabei, das Leuchten von Aliivibrio fischeri perfekt mit dem Tag-Nacht-Rhythmus des Tintenfisches abzustimmen. Tagsüber, wenn der Tintenfisch in Sand und Schlamm begraben ist, müssen die Bakterien ja auch keine Energie verschwenden, um Licht zu produzieren. Durch das morgendliche Ausstoßen der Bakterien wird ihre Dichte so weit reduziert, dass kein Quorum erreicht wird. Erst gegen Abend haben sich die Bakterien wieder so weit vermehrt, dass das Quorum erreicht wird und das Leuchten beginnt – perfekt abgestimmt auf die Jagdzeiten des Zwergtintenfisches.

Diese hochregulierte Symbiose ist übrigens nicht auf Aliivibrio fischeri und den Zwergtintenfisch beschränkt. Das Bakterium taucht in vielen marinen Umgebungen auf – frei im Wasser, auf organischer Masse, in Symbiosen mit Fischen und anderen Kopffüßern, wie Sepiola. Genau diese Vielseitigkeit in der Wahl des Lebensraums machte das Bakterium auch so spannend und greifbar für Forscher: Bereits Ende des 19. Jahrhunderts isolierte Bernhard Fischer leuchtende Bakterien aus dem Meer und nannte sie „Einheimischer Leuchtbazillus“. Offiziell benannt wurde Aliivibrio fischeri zum ersten Mal allerdings 1889 vom Niederländer Martinus Willem Beijerinck als Photobacterium fischeri – zu Ehren Fischers, dessen genaue Verbindung zu Beijerinck historisch unklar bleibt. Seitdem hat das Bakterium eine bewegte Namensgeschichte hinter sich, sein wikipedia-Eintrag allein enthält 8 Synonyme. 2007 zeigten genetische Analysen dann, dass es in die neu geschaffene Gattung Aliivibrio gehört. So wurde aus Photobacterium fischeri schließlich Aliivibrio fischeri.

Und damit nicht genug. 2014 war Aliivibrio fischeri sogar Kandidat für Hawaiis Staatsmikrobe. Hawaii hat wie andere US-Bundesstaaten ein offizielles Staatstier, einen Staatsvogel, sogar Staatsgemüse – warum also keine Mikrobe? Das Leuchtbakterium konkurrierte gegen Flavobacterium akiainvivens, ein ebenfalls auf Hawaii entdecktes Bakterium aus Vulkanboden. Am Ende wurden beide Vorschläge abgelehnt und Hawaii hat bis zu diesem Tag keine offizielle Staatsmikrobe.

Trotzdem ist Aliivibrio fischeri ein Bakterium von großer Relevanz. Als Modellsystem für das Quorum Sensing hilft es Forschenden, die Zell-Zell-Kommunikation von Bakterien besser zu verstehen. Zudem wird die Tatsache, dass sein Leuchten sehr empfindlich gegenüber Schadstoffen ist, in biologischen Tests zur Beurteilung der Wasserqualität genutzt. Dabei misst man, wie stark die Lichtemission des Bakteriums in einer Probe zurückgeht, was direkte Rückschlüsse auf die Belastung mit giftigen Substanzen ermöglicht.

Wir konnten heute also eine Mikrobe kennenlernen, die mit ihrer Strahlkraft den winzig kleinen Hawaiianischen Zwergtintenfisch vor seinen Fressfeinden verbirgt. Eine kontraintuitive und doch sehr erfolgreiche Strategie. Die feine Abstimmung des Leuchtens auf den Tintenfisch, aber auch der Bakterien untereinander zeigt deutlich, dass Mikroben so viel mehr sind als ziellos herumtreibende Einzeller – und dass es für uns Menschen an dieser Stelle noch viel zu lernen gibt. Vielleicht denkt ihr also, wenn ihr das nächste Mal aufs Meer blickt und die Reflektionen des Mondlichts auf der Wasseroberfläche seht an den kleinen leuchtenden Tintenfisch und seine noch viel kleineren leuchten Passagiere.

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Links & weitere Infos

Bilder, Videos und weitere Infos zu Euprymna scolopes

Symbiose mit Euprymna scolopes

Nyholm, S.V. and McFall-Ngai, M.J. (2021), Nature reviews. Microbiology, 19(10), pp. 666–679.

Visick, K.L., Stabb, E.V. and Ruby, E.G. (2021), Nature reviews. Microbiology, 19(10), p. 654.

McFall-Ngai, M.J. (1990), American Zoologist, 30(1), pp. 175–188.

Robertson, L.A., Figge, M.J. and Dunlap, P.V. (2011), FEMS Microbiology Ecology, 75(2), pp. 185–194.

Quorum Sensing in Aliivibrio fischeri

Mandel, M.J. et al. (2012), Applied and Environmental Microbiology, 78(13), pp. 4620–4626.

Septer, A.N. and Visick, K.L. (2024), Journal of Bacteriology. 206(5), pp. e00035-24.

Ruby, E.G. and Asato, L.M. (1993), Archives of Microbiology, 159(2), pp. 160–167.