Was bei höheren Lebewesen meist enorm lange dauert, geht bei Bakterien manchmal sehr fix: Sie können Widerstandskraft gegen Medikamente entwickeln oder zu immer schlimmeren Krankheitserregern mutieren. Neben ihrer rasanten Generationsfolge liegt dies auch an der Fähigkeit zum horizontalen Gentransfer. Die Mikroben können sich Erbgut von außen aneignen und über bestimmte genetische Prozesse in ihr Erbgut einbauen, um neue Eigenschaften hervorzubringen. Einige Bakterien tauschen dazu untereinander DNA aus, es gibt aber auch Arten, die Erbgutstücke aus der Umwelt aufnehmen können. Diese DNA kann durch Tod oder Abbauprozesse natürlicherweise freigesetzt worden sein. Diese in der Fachsprache natürliche Kompetenz genannte Aufnahmefähigkeit besitzen auch einige berüchtigte Infektionserreger.
Winziges sichtbar gemacht
“Der horizontale Gentransfer ist bekanntermaßen ein wichtiger Weg, über den sich Antibiotikaresistenzen unter Bakterien verbreiten – der genaue Prozess wurde aber noch nie zuvor direkt beobachtet, da die beteiligten Strukturen so unglaublich winzig sind”, sagt Co-Autor Ankur Dalia von der Indiana University in Bloomington. Bekannt war bereits, dass bestimmte bakterielle Feinstrukturen eine Rolle bei der DNA-Aufnahme spielen: die sogenannten Pili. Es handelt sich dabei um lange dünne Anhängsel, die Bakterien an ihrer Zelloberfläche ausbilden können. Sie sind mehr als 10.000 Mal dünner als ein menschliches Haar. Wie sie funktionieren, war bisher unklar, da es keine Verfahren gab, sie bei lebenden Zellen sichtbar zu machen.
Um die Pili bei der DNA-Aufnahme nun endlich in Aktion beobachten zu können, haben die Wissenschaftler eine innovative Markierungsmethode entwickelt. Dabei binden spezielle leuchtende Farbstoffmoleküle sowohl an die Pili lebender Bakterien als auch an die DNA-Fragmente, die sich die haarartigen Strukturen aus dem Umfeld greifen. So wurden diese bisher nicht sichtbaren Feinstrukturen und ihre Bewegungen erstmals deutlich. Bei dem Bakterium im Fokus handelte es sich um den berüchtigten Erreger der Cholera: Vibrio cholerae.
Fremde DNA raffiniert einverleibt
Wie die Forscher berichten, dokumentieren ihre Beobachtungen, dass die Pili wie mikroskopische “Harpunen” funktionieren. Sie werden durch Poren in der Zellwand „abgefeuert“, um ein freies Stück DNA in der Umgebung aufzugreifen und zur Oberfläche des Bakteriums zu ziehen. Anschließend wird das Stück durch die Pore ins Innere der Zelle geschleust. Die Öffnung ist dabei so klein, dass die DNA wohl gefaltet werden muss, um hindurch zu passen, sagen die Forscher. “Es ist wie beim Einfädelns eines Fadens in ein Nadelöhr”, sagt Co-Autor Courtney Ellison. “Wenn es die Funktion des Pilus nicht gäbe, wäre die Wahrscheinlichkeit, dass die DNA zum Eindringen in die Zelle die Pore gerade im richtigen Winkel trifft praktisch Null”, so der Wissenschaftler.
