Clostridium perfringens ist einer der häufigsten Auslöser von Lebensmittelvergiftungen. Verzehren wir Nahrungsmittel, in denen sich die Bakterien vermehrt haben, müssen wir nach wenigen Stunden mit heftigen Magen-Darm-Beschwerden rechnen. Denn Clostridium perfringens produziert Giftstoffe, die die Zellen in unserem Darm perforieren und zu starkem Durchfall führen. Auch in der industriellen Geflügelzucht ist das Bakterium gefürchtet. Es verursacht jährlich Schäden von sechs Milliarden US-Dollar und macht es schwer, auf Antibiotika in Geflügelfarmen zu verzichten. Doch nicht alle C. perfringens-Bakterien produzieren Toxine.
Genetisch identisch und doch unterschiedlich
Forschende um Ryan McNulty vom IFF Health and Biosciences in Wilmington in den USA haben nun eine Methode entwickelt, mit der sie auf der Ebene einzelner Bakterienzellen analysieren können, welche Gene in der jeweiligen Zelle aktiv sind und die Funktion prägen. „Bakterien verhalten sich deutlich anders, als wir bisher dachten“, sagt McNultys Kollege Adam Rosenthal. „Selbst wenn wir eine Gemeinschaft von Bakterien untersuchen, die alle genetisch identisch sind, verhalten sie sich nicht alle auf dieselbe Weise. Wir wollten herausfinden, warum.“
Wenn ein Gen abgelesen wird, erstellt die Zelle zunächst eine Art Blaupause, die Boten-RNA (mRNA). Diese enthält den Bauplan für das herzustellende Genprodukt. Um also herauszufinden, welche Gene aktiv sind, bietet es sich an, das Transkriptom einer Zelle zu analysieren, also die in der Zelle hergestellten RNA-Moleküle. Für große Mengen an Zellen gleichzeitig gibt es bereits gut etablierte Verfahren. Für tausende Zellen jeweils einzeln das mRNA-Profil zu ermitteln, war allerdings bisher kaum möglich. Die neue Methode namens ProBac-seq, die McNulty und sein Team entwickelt haben, ermöglicht nun, die Bakterienzellen in winzigen Tröpfchen zu vereinzeln, jeweils individuell zu markieren und anschließend automatisiert das Transkriptom zu analysieren. Auf diese Weise lässt sich feststellen, ob in bestimmten Untergruppen einer Bakterienpopulation andere Gene aktiv sind als in anderen.
Transkriptom tausender Einzelzellen analysiert
„Wir haben das Transkriptom tausender einzelner Bakterienzellen pro Experiment sequenziert und dabei im Durchschnitt mehrere hundert Transkripte pro Zelle nachgewiesen“, berichtet das Forschungsteam. Um ihre Methode zu validieren, nutzten McNulty und seine Kollegen zunächst die gut erforschten Bakterienarten Bacillus subtilis und Escherichia coli als Modellorganismen. „Mithilfe von ProBac-seq konnten wir bekannte zelluläre Zustände identifizieren und entdeckten darüber hinaus mehrere bisher unbekannte Transkriptionszustände, in denen Gene exprimiert werden, die für bestimmte Stoffwechselwege und physiologische Zustände des Bakteriums relevant sind“, berichten die Autoren.
