Synechococcus elongatus

Eine Mikrobe mit Zeitgefühl

Am Wochenende ist es wieder soweit und wie alle halben Jahre steht die Zeitumstellung an. In der Nacht vom Samstag zum Sonntag wird die Uhr von 3 Uhr auf 2 Uhr zurückgestellt. Damit kehren wir in die geltende Mitteleuropäische Zeit, kurz MEZ zurück. Während für einige diese Umstellung nur bedeutet, dass sie am Sonntag eine Stunde länger schlafen können und es an den folgenden Morgenden etwas früher hell ist, zieht die Zeitumstellung für manche eine Art Mini-Jetlag nach sich. Warum das so ist und was Mikroben damit zu tun haben, klären wir gleich. Erstmal möchte ich euch aber auf einen Mini-Exkurs in die Geschichte der Zeitumstellung mitnehmen.

In Deutschland wurde die Sommerzeit erstmals 1916 eingeführt. Während des damals tobenden ersten Weltkriegs versuchte man dadurch, Energie einzusparen, in dem man die Beleuchtung an langen Sommerabenden reduzierte. Zudem war durch den Krieg der grenzüberschreitende Eisenbahnverkehr so weit eingeschränkt, dass die Notwendigkeit einer einheitlichen Zeit mit den Nachbarländern obsolet geworden war. So entschied man sich für die Einführung der Sommerzeit, die erstmals am 30. April 1916 gültig wurde. Nach dem Kriegsende wurde die Umstellung auf die Sommerzeit im Jahr 1919 wieder ausgesetzt.

Mit dem nächsten großen Krieg kam dann auch die nächste Sommerzeit. Am 01. April 1940 wurden die Uhren wieder vorgestellt. Allerdings führten die Irrungen und Wirrungen des Krieges dazu, dass sie bis zwei Jahre später, genauer bis zum 02. November 1942 nicht wieder zurückgestellt wurden. Deutschland lebte in dieser Zeit also in permanenter Sommerzeit. Mit dem Ende des zweiten Weltkrieges im Jahr 1945 übernahm dann der alliierte Kontrollrat die Verwaltung der Zeitumstellung. Sie einigten sich auf eine einheitliche Regelung mit regelmäßiger Umstellung. Nur in der sowjetischen Zone und Berlin galt 1945 kurzfristig die doppelte Sommerzeit, mit einer Umstellung von 2 h. Dieselbe Regelung griff auch im Mai und Juni 1947, diesmal aber in ganz Deutschland. Mit der Gründung der beiden deutschen Staaten im Jahr 1949 wurde die Umstellung auf die Sommerzeit dann abgeschafft. 1980 wurde die Umstellung dann als Nachwirkung der Ölkrise wieder eingeführt und 1996 schließlich zwischen den Staaten der Europäischen Union vereinheitlicht. Vielleicht erinnern sich einige noch an die Abstimmung im Jahre 2018. In dieser Konsultation votierten rund 84 % der Teilnehmenden für die Abschaffung der Zeitumstellung, wobei die Umsetzung und Konkretisierung dieses Entscheids noch aussteht. Während Politik und Wirtschaft für die dauerhafte Einführung der Sommerzeit plädieren, sprechen sich Schlafforscherinnen und Chronobiologen eher für die Rückkehr zur Normalzeit, also der Winterzeit aus.

Der Grund dafür ist ein ähnlicher wie der, aus dem manche Menschen auch eine Woche später noch mit den Folgen der Zeitumstellung zu kämpfen haben. Wir Menschen haben einen circadianen Rhythmus, also ein inneres Zeitmesssystem, dass unsere Körperfunktion auf die entsprechende Tages- und Nachtzeit abstimmen kann. Diese innere Uhr kann beispielsweise die Ausschüttung von Hormonen und damit unter anderem den Schlaf-Wach-Rhythmus, aber auch den Stoffwechsel regulieren. Synchronisiert wird dieses Zeitmesssystem dabei auf die Verfügbarkeit von Tageslicht. Zwar kann die innere Uhr auch ohne dauerhafte Synchronisation mit Hell und Dunkel weiterlaufen, dann kann sich der Rhythmus allerdings im Vergleich zum Sonnentag verschieben. Wenn wir jetzt durch die Zeitumstellung dafür sorgen, dass es morgens plötzlich eine Stunde früher hell ist, dann passt unsere innere Uhr nicht mehr zum äußeren Reiz – ganz unabhängig davon, ob wir eher zu den Frühaufstehern oder den Spätzubettgehern gehören. Der Körper braucht einige Tage, um beide Rhythmen wieder zu synchronisieren – wie viel wir davon merken und darunter leiden ist von Mensch zu Mensch verschieden. Doch nicht nur wir Menschen, auch Mikroben hätten vielleicht mit der Zeitumstellung zu kämpfen – zumindest, wenn sie denn die Uhr lesen könnten.

Tatsächlich sind auch Mikroben teilweise darauf angewiesen ihren Stoffwechsel mit dem Hell-Dunkel-Rhythmus eines Tages zu synchronisieren. Das wurde vor allem bei Cyanobakterien beobachtet, die ihre Energie ähnlich wie Pflanzen durch Photosynthese, also die Nutzung des Sonnenlichts gewinnen. Warum sie in besonderer Weise vom Tag-Nacht-Rhythmus abhängen, ist damit wohl recht offensichtlich. Wie genau sie sich aber mit dem 24-Stunden-Tag synchronisieren basiert auf einem besonders ausgeklügelten System. Genau das wollen wir uns heute genauer anschauen. Und mit welcher Mikrobe funktioniert das am besten – natürlich mit der, in der das System erstmals beschrieben wurde und wohl bis heute am besten charakterisiert ist: dem Cyanobakterium Synechococcus elongatus. Der Name Synechococcus leitet sich vom griechischen synechos für ‚zusammenhängend‘ und coccus für ‚Beeren‘ ab und bezieht sich primär auf das Aussehen der zwei Mikrometer langen Zellen. Elongatus bedeutet dabei einfach ‚länglich‘. Diese Cyanobakterien leben in Frischwasservorkommen im moderaten Klima und sind phototroph, nutzen also Sonnenlicht als ihre primäre Energiequelle. Demnach ist es für diese Bakterien auch sehr sinnvoll, ihren Stoffwechsel so anzupassen, dass er ideal darauf ausgerichtet ist, am Tag, wenn die Sonne scheint, möglichst das Licht zu nutzen, um die Energie daraus verwendbar zu machen und in der Nacht auf diese Energiereserven zurückzugreifen – und genau das passiert auch.

Drei Proteine und etwas Energie, mehr braucht es nicht, um in den Bakterien eine innere Uhr entstehen zu lassen. Diese Proteine tragen die Namen KaiA, KaiB und KaiC. KaiC ist dabei der hauptsächliche Taktgeber. Das Protein hat die Fähigkeit sich selbst zu phosphorylieren, sich also Phosphatgruppen anzuhängen. Das kann man sich vorstellen, als würde sich das Protein selbst mit PostIt-Zettelchen markieren. Dafür gibt es zwei bestimmte Stellen, an denen die Markierung angebracht werden kann. Das Protein KaiA kann sich an KaiC anlagern und diesen Prozess noch weiter beschleunigen, KaiC also dabei helfen, die Klebezettelchen anzubringen. KaiB hingegen ist der Bremser in der ganzen Geschichte. KaiB kann mit KaiC interagieren, vor allem dann, wenn schon Klebezettelchen angebracht sind. KaiC ändert dann nämlich seine Stuktur, was KaiB ermöglicht an KaiC zu binden. KaiB hat dann die Aufgabe, KaiA, das KaiC dazu anstachelt immer mehr Zettelchen an sich zu kleben, aufzuhalten, in dem es seine inaktive Form bindet. Jetzt kann KaiC in die sogenannte Dephosphorylierungsphase übergehen. Dabei werden jetzt also die Klebezettelchen wieder entfernt, da KaiA ja nicht mehr aktiv ist, um KaiC zum Kleben anzustacheln. Irgendwann ist KaiC wieder in dem Zustand angelangt, in dem es gar keine Phosphatgruppen mehr hat – also im Prinzip im Ausgangszustand und das nach ziemlich genau 24 h. Das ganze System von KaiC, dass durch KaiA angestachelt und KaiB gebremst wird, ist also ziemlich genau auf einen Sonnentag geeicht.

Wie genau dieser Prozess auf die Hell-Dunkel-Phasen eines Tages synchronisiert wird, will ich hier jetzt nicht im Detail erklären. Wichtig ist nur, dass der Prozess ziemlich genau reguliert wird, aber gleichzeitig so selbst erhaltend ist, dass er auch weiterläuft, wenn sich Synechococcus elongatus für mehrere Tage in kompletter Dunkelheit aufhält. Tatsächlich gelang es Forschenden 2005 sogar, diesen ganzen Prozess der inneren Uhr in einem Reagenzglas nachzustellen. Sie isolierten alle drei Proteine, KaiA, KaiB und KaiC und gaben etwas Energie in Form von ATP dazu. Dieses minimale System reichte aus, um einen etwa 24 h dauernden Zyklus zu etablieren, der sich über mehrere Tage selbst erhalten konnte. Spannenderweise blieb die Periodendauer auch bei veränderter Außentemperatur relativ stabil. Normalerweise ist es nämlich so, dass biochemische Prozesse – wie auch die Phosphorylierung von KaiC einer ist – bei höheren Temperaturen schneller ablaufen. Aus diesem Grund lässt man Hefeteige beispielsweise lieber bei Temperaturen um die 30 bis 40 °C gehen und lagert seine verderblichen Lebensmittel im Kühlschrank – hier hilft die niedrigere Temperatur Gärungs- und andere Verderbensprozesse deutlich zu verlangsamen. Man könnte also denken, dass auch die innere Uhr der Cyanobakterien bei Kälte langsamer und bei Wärme schneller wird. Tatsächlich scheint es aber einen Kompensationsmechanismus zu geben, denn egal ob bei 25 °C oder bei 35 °C, die Uhr tickte immer in etwa gleich schnell. Die einzige Voraussetzung: die Temperaturen müssen natürlich das Überleben von Synechococcus elongatus unterstützen.

Als wäre das System aber nicht ausgeklügelt genug, gibt es noch ein ganz wichtiges Detail. Ich weiß nicht, ob ihr euch jemals gefragt habt, wie lang ein einzelnes Bakterium eigentlich so lebt oder wie oft eigentlich ein neues Bakterium entsteht. Egal, ob ihr euch das schonmal gefragt habt oder nicht, die Antwort bekommt ihr jetzt trotzdem. Unter idealen Bedingungen, also wenn es hell und die Nährstoff- und Energieversorgung gut sind, verdoppelt sich eine Population von Synechococcus elongatus etwa alle 6 bis 8 Stunden. Damit kann sich eine Zelllinie innerhalb eines Tages über mehrere Generationen vermehren. Trotzdem müssen auch die neu entstandenen Zellen irgendwie in den Tag-Nacht-Rhythmus mit einsteigen. Wie funktioniert das also? Das ist eigentlich ganz einfach zu erklären. Bakterien wie auch Synechococcus elongatus vermehren sich durch Teilung. Dafür verdoppelt eine Zelle ihr genetisches Material, wird dann lang gestreckt und sich schließlich in der Mitte zu teilen und zwei identische Tochterzellen zu erzeugen. Und genau da liegt der Clou. Während der Teilung wird nicht nur das genetische Material zwischen den beiden Tochterzellen verteilt, sondern auch alle Proteine, die sich in der sich teilenden Zelle befunden haben – inklusive KaiA, KaiB und KaiC. Ähnlich wie eine Armbanduhr werden diese drei Proteine weitervererbt – und damit auch zumindest eine ungefähre Information, wie viel „Uhr“ es gerade ist. Die Uhrzeit steht dabei natürlich in Anführungszeichen, eine exakt gespeicherte Uhrzeit wird in diesem Prozess nicht weitergegeben - denn dass Mikroben tatsächlich Uhren lesen können, wage ich doch stark zu bezweifeln.

Viele Cyanobakterien, unter ihnen eben auch Synechococcus elongatus haben also ein ausgeklügeltes System, um ihre Stoffwechselaktivität an die Tages-und-Nachtzeiten des Sonnentages anzupassen. Dabei ist das System der menschlichen inneren Uhr gar nicht so unähnlich, wenn auch wesentlich unkomplizierter. Es ist also davon auszugehen, dass auch Synechococcus elongatus ein bisschen Anpassungszeit bräuchte, wenn es damit konfrontiert wäre, dass es von einem auf den anderen Tag eine Stunde früher hell und eine Stunde früher Dunkel ist. Als Einzeller wird es diesem Problem wohl nie begegnen, aber wer weiß das schon.

Synechococcus elongatus eignet sich tatsächlich nicht nur als Modellorganismus zur Erforschung des circadianen Rhythmus in Cyanobakterien. Es könnte zusätzlich in der Zukunft dabei helfen, die Sauerstoffversorgung im Gehirn von Schlaganfallpatientinnen und -patienten sicherzustellen. Bereits am Anfang des Beitrags habe ich kurz erklärt, dass Cyanobakterien phototroph sind, ihre Energie generieren sie also mithilfe des Sonnenlichts und CO2. Ganz nebenbei entsteht bei diesem Prozess – der Photosynthese – ein Abfallprodukt: Sauerstoff. Diesen können wir Menschen zum Atmen nutzen, er ist aber auch genau das, was im Gehirn bei einem Schlaganfall sehr knapp wird. Ischämische Schlaganfälle sind die Folge von Verengungen oder Verschlüssen von wichtigen Arterien, wodurch nicht genug Blut und damit auch nicht genug Sauerstoff in bestimmte Hirnareale gelangen kann. Infolgedessen kann es zum Tod oder zu schweren Folgeschäden und Behinderungen kommen. Wie kann Synechococcus elongatus jetzt aber dabei helfen? In einer ersten präklinischen Studie aus dem Jahr 2021 nutzten Forschende Synechococcus elongatus, um sie, in den Gehirnen von Mäusen, nach einem Schlaganfall Sauerstoff erzeugen zu lassen. Da die Mikroben sichtbares Licht brauchen und dieses die Schädeldecke nicht durchdringen kann, kombinierten die Forschenden die Cyanobakterien mit kleinen Partikeln, die Infrarotstrahlung in sichtbares Licht umwandeln können. Infrarotstrahlung kann die Schädeldecke durchdringen, regt dort dann die Nanopartikel zur Emission sichtbaren Lichtes an, welches dann wiederum von Synechococcus elongatus genutzt wird, um Sauerstoff zu produzieren und die betroffenen Hirnareale zu versorgen. Ob und wie genau diese Methode tatsächlich zu einer sicheren und wirksamen Therapie werden kann, wird wohl die Zukunft zeigen, aber ich fand es zu spannend, um es euch an dieser Stelle vorzuenthalten.

Links & weitere Infos

„Sommerzeit in Deutschland“, Wikipedia.

BMWE, B. für W. und K., Fragen und Antworten zur Zeitumstellung.

EU-Konsultation zur Zeitumstellung

Allgemeine Infos zum circadianen Zyklus und Entdeckung von KaiABC

Golden, S.S. (2026), npj Biological Timing and Sleep, 3(1), S. 47.

Grobbelaar, N. u. a. (1986), FEMS Microbiology Letters, 37(2), S. 173–177.

Details zur Oszillation durch KaiABC

Ito, H. u. a. (2009), Proceedings of the National Academy of Sciences, 106(33), S. 14168–14173.

Mihalcescu, I., Hsing, W. und Leibler, S. (2004), Nature, 430(6995), S. 81–85.

Mori, T. und Johnson, C.H. (2001), Journal of Bacteriology, 183(8), S. 2439–2444.

Nakajima, M. u. a. (2005), Science, 308(5720), S. 414–415.

Tomita, J. u. a. (2005), Science, 307(5707), S. 251–254.

Cyanobakterien in der Schlaganfalltherapie

Wang, J. u. a. (2021), Nano Letters, 21(11), S. 4654–4665.