Bakterien haften am Eis

Rehovot (Israel) - Viele Organismen, die sich an ein Leben in der Kälte angepasst haben, produzieren eisbindende Eiweißstoffe. Diese Proteine wirken als Gefrierschutzmittel, indem sie sich an noch winzige Eiskristalle anlagern und so deren Wachstum in der Körperflüssigkeit und in den Zellen verhindern. Doch das eisbindende Protein eines Bakteriums aus antarktischen Gewässern hat offenbar eine ganz andere Funktion, wie israelische Biologen jetzt berichten. Es dient dazu, die Mikroben dauerhaft an der Eisschicht der Wasseroberfläche zu verankern, so dass sie von den günstigeren Lebensbedingungen dort profitieren. Das Protein übernimmt demnach die Aufgabe eines sogenannten Adhäsins, das auch Krankheitserreger benutzen, um sich an Oberflächen innerer Organe anzuheften, schreiben die Wissenschaftler im „Journal of the Royal Society Interface“.

Dies sei das bisher einzige bekannte eisbindende Protein, das gleichzeitig die Funktion eines Adhäsins hat, erklären die Forscher um Ido Braslavsky von der Hebrew University in Jerusalem. In eisbedeckten Meeresteilen kann es für aerobe Bakterien vorteilhaft sein, sich am Eis anzuheften. So verbleiben sie in der obersten Wasserschicht, wo Sauerstoffgehalt und Nährstoffangebot höher sind als in größeren Wassertiefen. Das Bakterium Marinomonas primoryensis kommt in Gewässern der Antarktis vor und wurde auch in winterlichen Küstenregionen des Japanischen Meeres nachgewiesen. Im Labor lässt es sich bei einer Temperatur von 4 Grad Celsius anzüchten. Anfangs dachte man, dass sich diese Mikroben durch ihr eisbindendes Protein vor Frostschäden schützen. Doch einige ungewöhnliche Eigenschaften des Proteins sprachen dagegen: Das Molekül ist 30-mal größer als die eisbindenden Proteine sämtlicher anderer Organismen. Es verbleibt weder im Zellinnern, noch wird es nach außen abgegeben. Stattdessen ragt es zum größten Teil aus der Zellwand heraus, bleibt aber immer mit ihr verbunden.

Die Forscher stellten fest, dass nur ein sehr kleiner Abschnitt des langgestreckten Proteinmoleküls die Haftung an Eiskristalle bewirkt. Aber die Bindung veränderte den Gefrier- und Schmelzpunkt des Eises nicht. Vielmehr entsprechen die Eigenschaften des gesamten Proteins eher denen von Adhäsinen, die ein Anheften an Oberflächen ermöglichen. Wahrscheinlich finden die beweglichen M. primoryensis-Bakterien ihre Andockstellen durch eine Art Chemo- oder Thermotaxis. Das heißt, sie werden durch einen chemischen Gradienten oder den Temperaturunterschied zum Eis hingezogen, vermuten die Biologen. Die Bindung ist dauerhaft und löst sich erst, wenn das Eis schmilzt.

Wenn sich angeheftete Bakterien vermehren, entstehen Mikrokolonien, die sich möglicherweise zu einem Biofilm weiterentwickeln. Ein Biofilm besteht aus einer Schleimschicht, mit der sich Bakterien vor schädlichen Einflüssen schützen. Auch Krankheitserreger können auf diese Weise der Immunabwehr oder einer antibiotischen Behandlung widerstehen. Durch einen speziell dafür hergestellten Antikörper, der die Eisbindungsstelle des Proteins blockierte, konnten die Forscher die M. primoryensis-Bakterien daran hindern, sich an Eiskristalle anzulagern. Andere Wirkstoffe, die diesen ersten Schritt bei der Entstehung eines Biofilm verhindern, könnten auch von klinischer Bedeutung sein.