Photorhabdus luminescens
Heilender Engelsglanz
Heute nehme ich euch mit ins Jahre 1862. In den USA tobt der amerikanische Bürgerkrieg zwischen den nördlichen, der Union zugehörigen, und den südlichen, zur Konföderation beigetretenen US-Staaten. Entzündet an der Debatte um die Abschaffung der Sklaverei und der Wahl des Sklavereigegners Abraham Lincoln zum US-Präsidenten, zog ein 4 Jahre andauernder Krieg durch das Land. 1862 erreichte dieser dann die Stadt Corinth in Tennessee. Am 06. und 07. April trafen einige Kilometer nordöstlich der Stadt die Unions-Truppen unter General Ulysses S. Grant auf die konföderierte Mississippi-Armee - ein Aufeinandertreffen, dass als Schlacht von Shiloh in die Geschichte eingehen sollte. Zwei Tage dauerten die Kämpfe, bevor die Unions-Truppen die Oberhand gewinnen konnten. Über 20.000 Verwundete harrten auf dem Schlachtfeld aus und warteten auf medizinische Versorgung. Dann brach die Nacht herein und mit ihr kam etwas, das den Glauben der Soldaten bis ins Mark erschüttern soll. Auf einigen der unversorgten Wunden erschien ein gespenstisches Leuchten – grünlich-blau schien es in die Nacht. Hatte ein Fluch die Soldaten getroffen oder doch ein schützender Segen?
Das soll sich einige Tage später herausstellen. Die versorgenden Ärzte beobachteten nämlich, dass die Wunden einiger Soldaten schneller zu heilen schienen und auch kaum Infektionen auftraten. Wie sich herausstellte, handelte es sich um genau jene Soldaten, von deren Wunden das unheimliche Leuchten ausgegangen war. Ihre Überlebenschancen waren im Vergleich zu denen der anderen Soldaten deutlich erhöht. In Dankbarkeit über ihre wundersame Rettung gaben die Soldaten dem Phänomen den Namen „Angel’s glow“ – übersetzt also etwa Engelsglanz. Insgesamt ist die Quellenlage zum Auftreten dieses Phänomens sehr dürftig, ob es sich also nur um einen Mythos handelt oder nicht, ist nur schwer festzumachen.
Spannend ist es allerdings trotzdem – so auch für den 17-jährigen Bill Martin, der 2001 während eines Schulausflugs vom Phänomen des Angel’s Glow hörte. So recht wollte ihn die Geschichte nicht mehr loslassen und schon bald kam ihm die Arbeit seiner Mutter in den Sinn, die als Mikrobiologin an der Erforschung lumineszenter, also von sich aus leuchtender, Bakterien arbeitete. Könnte es sein, dass es sich bei den Auslösern für das Leuchten der Wunden um Bakterien gehandelt hatte? Aber wie konnten diese zur schnelleren Heilung und höheren Überlebenschancen führen? Mithilfe seiner Mutter skizzierte Bill einige Experimente, um seine Hypothese zu überprüfen und machte das ganze zu einem Schulprojekt, das er gemeinsam mit seinem Mitschüler Jon Curtis in die Tat umsetzte.
Sie suchten nach Bakterien, die die Fähigkeit der Biolumineszenz besaßen, also in der Lage waren, zu leuchten. Anschließend versuchten sie zu ermitteln, welche dieser Bakterien im Jahre 1862 auf dem Schlachtfeld von Shiloh hätten anwesend sein können. Und tatsächlich stießen sie auf einen Treffer – Photorhabdus luminescens.
Bei diesem Bakterium handelt es sich um ein lumineszentes, also leuchtendes, Bodenbakterium – allerdings um eines, das diese dunkle Unterwelt nicht allein besiedelt. Stattdessen lebt es in enger Symbiose mit einem anderen Erdbodenbewohner: winzigen Fadenwürmern der Gattung Heterorhabditis. Tatsächlich geht diese Symbiose so weit, dass das Bakterium im Darm des Fadenwurms lebt und dort auf seinen Einsatz wartet. Gemeinsam werden diese beiden Organismen nämlich zu einer tödlichen Gefahr für die Insekten in der Umgebung.
Trifft ein Fadenwurm auf seiner Suche nach Nahrung auf eine Insektenlarve beginnt ein ausgefeilter Angriff. Der Fadenwurm bohrt sich durch die Außenhülle der Larve, dringt ins Innere ein und setzt dort Photorhabdus luminescens frei. Sobald sich das Bakterium im Larvenkörper ausbreitet, beginnt es mit der Produktion von Toxinen, also Giftstoffen, die das Insekt innerhalb von 48 Stunden töten. Ein solches Toxin trägt zum Beispiel den sehr deskriptiven Namen „makes caterpillars floppy“, also quasi „macht Raupen schlapp“. Für den Fadenwurm wird der tote Körper zur perfekten Umgebung – eine nährstoffreiche Vorratskammer, in der er wachsen und sich vermehren kann. Doch damit nicht genug. Eine solcher Insektenkadaver ist natürlich nicht nur für den Fadenwurm, sondern auch für andere Mikroben in der Umgebung interessant. Daher hat Photorhabdus noch einen weiteren Trick auf Lager. Neben Toxinen produziert das Bakterium auch Antibiotika, die die Ausbreitung anderer Bakterien unterbinden. So steht der Kadaver dem Fadenwurm-Bakterien-Duo weitgehend allein zur Verfügung, ohne dass sie Konkurrenz fürchten müssen. Wenn schließlich alle Nährstoffe verbraucht sind, schließt sich der Kreis: Neue Fadenwürmer entwickeln sich im Kadaver, nehmen Bakterien auf und begeben sich im Erdboden auf die Suche nach der nächsten Larve.
Hier kommt eventuell auch das Leuchten von Photorhabdus ins Spiel. Warum genau das Bakterium die Fähigkeit der Biolumineszenz besitzt, also welchen Vorteil das Phänomen in der Entwicklung gebracht hat, ist noch nicht abschließend geklärt. Vielleicht handelt es sich nur um ein Nebenprodukt des bakteriellen Stoffwechsels, andere Hypothesen besagen, dass das Leuchten im Darm der Fadenwürmer als Mechanismus zum Anlocken neuer Insektenlarven dienen konnte. Bis wir das sicher sagen können, muss aber noch weiter geforscht werden.
Diese ungewöhnliche Partnerschaft zwischen Bakterium und Fadenwurm ist aber nicht nur aus erzählerischer Sicht spannend, sondern hat auch einen ganz praktischen Nutzen: Photorhabdus luminescens wird heutzutage als natürliches Bioinsektizid eingesetzt. Sogenannte Nematoden, eine andere Bezeichnung für Fadenwürmer, die das Bakterium in sich tragen, werden dabei in die Erde eingebracht, wo sie sich ausbreiten und gefräßigen Insektenlarven wie Engerlingen den Gar aus machen.
Was hat das jetzt aber alles mit leuchtenden Wunden der Soldaten nach der Schlacht von Shiloh zu tun? Ein bisschen was könnt ihr euch jetzt vielleicht schon denken, aber lasst mich die Lücken füllen. Wie kommt das Bakterium aus dem Darm von Fadenwürmern jetzt auf die Haut des Menschen? Hierfür müssen wir uns nochmal die Bedingungen der Schlacht anschauen. Im April 1862 war es in Tennessee vor allem eins: regnerisch. Das heißt, das Schlachtfeld war schlammig und gerade in der Nacht auch ganz schön kalt. Die feuchte Erde bot also ideale Bedingungen für Insekten, aber auch für Fadenwürmer und ihre bakteriellen Begleiter der Art Photorhabdus luminescens. Die offenen Wunden der Soldaten zogen Insektenlarven an, diese wiederum wurden zum Köder für die Fadenwürmer. Gemäß ihres Lebenszyklus setzten die Fadenwürmer dann Photorhabdus luminescens frei und das Bakterium konnte sich über die Insektenlarven und den Schlamm auf die Wunden der Soldaten ausbreiten. Die stockdunkle Nacht tat dann ihr Übriges und ließ das grünlich-blaue Leuchten der Bakterien sichtbar werden.
Doch da war ja noch etwas mit schnellerer Heilung und höheren Überlebenschancen. Wie kam das denn nun zustande? Wahrscheinlich über denselben Mechanismus, mit dem sich Photorhabdus luminescens auch unerwünschte Konkurrenz vom Leib hält. Die produzierten Antibiotika wirkten auch hier, so dass sich für den Menschen gefährliche Bakterien wie der Tetanus-Erreger Clostridium tetani oder andere Auslöser von Wundbrand nicht vermehren konnten. Den Soldaten blieben also gefährliche Infektionen erspart, die sowohl zur Verlangsamung der Wundheilung als auch zur Verringerung der Überlebenschancen hätten führen können.
Die Highschool-Schüler Bill Martin und Jon Curtis schienen also eine Erklärung für den Engelsglanz gefunden zu haben. In einem ihrer Experimente stellten sie dann allerdings fest, dass die Körpertemperatur eines Menschen eigentlich viel zu hoch ist, um Photorhabdus luminescens das Wachstum zu ermöglichen. Wie also sollte man das Phänomen dann erklären? Tatsächlich kommt hier wieder der kalte April des Jahres 1862 ins Spiel. Die Soldaten mussten über Nacht mit teils schweren Verletzungen auf einem kalten, nassen und schlammigen Schlachtfeld ausharren. Diese Bedingungen haben wohl dazu geführt, dass sie unter Hypothermie, also Unterkühlung litten. Eine Absenkung der Körpertemperatur, die vermutlich gereicht hat, um das Wachstum der Bakterien zu unterstützen. Gleichzeitig ist das vielleicht auch die Erklärung dafür, warum das Phänomen nicht auch in Berichten von anderen Schlachten auftaucht, sondern nur auf dieses Ereignis beschränkt zu sein schien. Das Auftreten des Engelsglanzes war also eine seltene Konstellation: Die einzigartige Kombination aus Jahreszeit, Wetterlage und dem speziellen Boden Tennessees musste genau zusammenpassen. Genauso wie 140 Jahre später ein bestimmter Schüler, der durch den Beruf seiner Mutter über lumineszente Bakterien Bescheid wusste, an einer Erklärung für das Phänomen mitwirken konnte.
Die faszinierende Geschichte von Photorhabdus luminescens ist hier aber noch nicht auserzählt. Als wäre die Symbiose mit Fadenwürmern der Gattung Heterorhabditis nicht schon spannend genug, streckt sich das Netzwerk der Zusammenarbeit im Boden noch viel weiter. Neben den Bakterien, die mit den Fadenwürmern gemeinsam auf Raubzug gehen, gibt es nämlich auch solche, die im Boden zurückbleiben. Während man die Zellen, die in Symbiose mit Nematoden zusammenleben, als primäre Zellen bezeichnet, werden die anderen sekundäre Zellen genannt. Beide gehören zur Art Photorhabdus luminescens, unterscheiden sich allerdings sehr stark in ihrem Aussehen und auch in ihrer Funktion. So sind die sekundären Zellen deutlich weniger lumineszent, aber dafür viel beweglicher. Sie können sich aktiv durch den Boden bewegen, wo sie von Stoffen angelockt werden, die von den Wurzeln der Pflanzen abgegeben werden. Sie siedeln sich also unter den Wurzeln an, produzieren dort aber keine Toxine oder Antibiotika, wie die Bakterien in Insektenlarven, sondern scheinen die Pflanzen vor gefährlichen Pilzinfektionen zu schützen. Für diesen Wechsel zwischen verschiedenen Formen desselben Bakteriums braucht es ein hohes Maß an Koordination. Deshalb ist Photorhabdus luminescens ein spannendes Modell für die Erforschung von bakterieller Zusammenarbeit und interzellulärer Kommunikation, beides Themen, die die Forschung sicher noch eine Weile beschäftigen werden.
Wir haben heute also ein Bakterium kennengelernt, das ganz nebenbei, während es eigentlich auf Nahrungssuche war, die Leben verletzter Soldaten des amerikanischen Bürgerkriegs gerettet hat. Photorhabdus luminescens zeigt uns: Manchmal müssen viele Zufälle zusammenkommen – kalter Schlamm, neugierige Schüler, leuchtende Bakterien – um etwas Einmaliges zu schaffen. Gleichzeitig demonstriert Photorhabdus luminescens, wie komplex und vielseitig die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Organismen oder die Kommunikation und Koordination innerhalb einer Art ist und was alles in der Welt um uns herum passiert - ohne, dass wir uns dessen bewusst sind.
Links & weitere Infos
Allgemeine Artikel zum Phänomen des Angel’s Glow
Beschreibung von Photorhabdus luminescens und Symbiose
Clarke, D. J. (2008a). Microbiology Today, 35(4), 180–183.
Clarke, D. J. (2008b). Cellular Microbiology, 10(12), 2369–2377.
Toxine und Pathogenität
Unterscheidung von Primär- und Sekundärzellen