Bei der Schlacht von Sempach soll Arnold Winkelried ein Bündel Lanzen gepackt und -in dem er sich selbst aufspiessen liess - für die Eidgenossen eine Bresche in die feindlichen Linie geschlagen haben. Selbstaufopferung kommt aber nicht nur beim Menschen, sondern auch bei andern Lebewesen, selbst bei einfachen Bakterien, vor. ETH-Biologen aus den Gruppen von Prof. Martin Ackermann und Prof. Wolf-Dietrich Hardt in Zusammenarbeit mit Prof. Michael Doebeli von der UBC in Vancouver beschreiben diese Woche im Fachmagazin Nature, wie es durch einen molekularen Zufallsprozess bei der Zellteilung dazu kommt, dass die Schwesterzellen von Bakterien neue Funktionen erlangen und sich selbst für andere opfern.

Selbstaufopferung als Überlebensstrategie

Die Forscher untersuchen dieses aussergewöhnliche biologische Konzept am Beispiel von Salmonellen. Salmonellen sind stäbchenförmige Bakterien, welche bei Menschen schwere Infektionskrankheiten hervorrufen können. Am Anfang stehen Salmonellen, welche mit verunreinigter Nahrung - zum Beispiel in Eiern oder Pouletfleisch - aufgenommen werden und in den Darm gelangen. Dort können sie sich aber wegen der Mikroorganismen, die allgemein als "Darmflora" bezeichnet werden, nur schlecht vermehren. Laut Ackermann, Hardt und Doebeli haben Salmonellen für dieses Problem eine überraschende Lösung entwickelt.

Ein erster Teil der Bakterien verbleibt im Innern des Darms. Ein zweiter Teil der Zellen zeigt ein Verhalten, welches zu ihrer eigenen Zerstörung führt. Sie dringen ins Darmgewebe ein und werden dort durch das Immunsystem getötet. Durch diesen Vorgang wird eine Darmentzündung ausgelöst, welche einen grossen Teil der Darmflora eliminiert. Die im Darm verbliebene erste Gruppe erhält dadurch die Gelegenheit, sich ungehindert zu vermehren und die Erkrankung des Wirtes einzuleiten.

Der Zufall entscheidet

Ob eine Zelle zur ersten selbstaufopfernden oder zur zweiten profitierenden Gruppe gehört, entscheidet sich bei der Zellteilung. Salmonellen vermehren sich rasch durch Zellteilung und bilden genetisch identische Abkömmlinge. Bei der Zellteilung werden Zellbestandteile zufällig auf die beiden Tochterzellen verteilt. Dieser Zufallsprozess führt dazu, dass nicht alle Abkömmlinge dieselben Eigenschaften haben. Zwei Gruppen von Zellen entstehen, welche - obwohl genetisch identisch - durch Arbeitsteilung unterschiedliche Eigenschaften und Verhaltensweisen erlangen können; eine Gruppe dringt ins Gewebe und stirbt, und die andere bleibt im Darm und profitiert. Gerade weil sie genetisch identisch sind, funktioniert dieses biologische Konzept so gut: Wären sie genetisch unterschiedlich, würde sich der aufopfernde Typ rasch selbst ausrotten. Wie gross der Anteil an Zellen ist, die dann quasi als Winkelried fungieren, ist wahrscheinlich ein genetisch kodiertes Merkmal.

Grundlegende Erkenntnisse

Die Arbeit bietet eine neue Erklärung für die Bedeutung von Zufallsprozessen in der Biologie. Zudem ermöglicht die Studie bisher unbekannte Einblicke in die Biologie von Salmonellen. Ähnliche biologische Konzepte sind wahrscheinlich auch bei anderen Krankheitserregern wie Clostridien und Streptokokken von Bedeutung. Um solche Krankheitserreger wirksam bekämpfen zu können, sei eine umfassende Kenntnis ihrer Biologie notwendig, sagt Ackermann.

Martin Ackermann betont, dass dieses Projekt nur durch die Zusammenarbeit von drei Spezialistengruppen möglich geworden ist. Hardts Gruppe ist auf Salmonellen spezialisiert, Doebeli ist Mathematiker und Theoretischer Biologe. Ackermanns Gruppe untersucht molekulare Zufallsprozesse bei der Ausprägung von biologischen Merkmalen.

Originalbeitrag: Ackermann M et al. Self-destructive cooperation mediated by phenotypic noise; Nature 454, 987-990 (21 August 2008), doi:10.1038/nature07067