Inom modern livsvetenskap, ett paradigmskifte blir allt tydligare:livsformer anses inte längre vara självständiga enheter, utan i stället mycket komplexa och funktionellt beroende gemenskaper av organismer. Utforskningen av de nära kopplingarna mellan multicellulärt och särskilt bakterieliv kommer, i framtiden, vara nyckeln till en bättre förståelse av livsprocesser som helhet, och i synnerhet övergången mellan hälsa och sjukdom. Dock, hur organismernas samarbete och kommunikation fungerar i detalj är för närvarande i stort sett okänt. Ett viktigt steg framåt för att dechiffrera dessa relationer mellan flera organismer har nu tagits av forskare från arbetsgruppen för cell- och utvecklingsbiologi vid Kiel Universitys zoologiska institut:forskarna, ledd av Dr Sebastian Fraune, har för första gången kunnat bevisa att värdorganismer inte bara kan kontrollera sammansättningen av sina koloniserande bakterier, men också deras funktion. CAU-forskarna publicerade sina banbrytande fynd – härledda från exemplet med sötvattenpolypen Hydra och deras specifika bakteriesymbionter – i måndags i det senaste numret av den vetenskapliga tidskriften Förfaranden från National Academy of Sciences .

"Utgångspunkten för vår undersökning var observationen att Hydra kan påverka sammansättningen av artspecifik bakteriekolonisering, genom bildandet av vissa antimikrobiella ämnen, " förklarade Dr Cleo Pietschke, huvudförfattare till studien. I princip, dessa enkla livsformer klarar därigenom samma uppgift som högre utvecklade organismer också måste utföra för att etablera ett hälsosamt mikrobiom:att använda sitt immunförsvar, de säkerställer kolonisering av "rätt" sammansättning av bakterier, och ska samtidigt förhindra att användbara mikroorganismer har en skadlig effekt. Det presenterade arbetet fokuserade på hur denna koloniseringsprocess stöds av kommunikationen mellan värd och bakterier.

När en specifik befolkningstäthet har uppnåtts, bakteriesamhällen kan arbeta tillsammans i team, för att uppfylla vissa funktioner. Samordningen av dessa funktioner är baserad på en sensormekanism, med vilken de enskilda bakterierna kan bestämma total befolkningstäthet med hjälp av signalmolekyler. När ett tröskelvärde nås, dessa signalmolekyler aktiverar gener, och därigenom reglera vissa cellulära funktioner. Genom att använda denna process, känd som kvorumavkänning, bakteriekontrollfunktioner såsom kolonisering av ytor, eller produktion av gifter.

Forskargruppen från Kiel har nu visat att värdorganismen kan förändra bakteriens kvorumavkänningsmekanism. Cnidarianerna påverkar därmed direkt de bakteriella signalmolekylerna, och därmed aktivt främja koloniseringsprocessen av sin egen vävnad. "Vi har funnit att Hydra inte bara påverkar närvaron av deras bakteriesymbionter, men kan också direkt störa deras funktion, " betonade Fraune, forskningsassistent i arbetsgruppen Cell och utvecklingsbiologi. Forskargruppen beskrev i detalj, för första gången, en värd som använder kvorumsläckning för att hämma bakteriers molekylära kommunikation. Tidigare fanns det bara två andra exempel på sådana ingrepp av en värdorganism. Specifikt, Kiel -forskarna visade att en modifiering av vissa signalmolekyler av värden främjar kolonisering av Curvibacter, de vanligast förekommande bakterierna associerade med Hydra.

CAU-forskarna studerade värdmekanismens inverkan på dess bakteriesamhälle genom att observera effekten av en signalmolekyl och dess värdmodifierade bakteriella motsvarighet. För det första, de tog med sig bakteriefri Hydra, dvs laboratorieuppfödda organismer utan bakteriell kolonisering, i kontakt med Curvibacter-bakterier. Det var uppenbart att bakteriekoloniseringen var dålig, så länge som icke-modifierade signalmolekyler var närvarande. Så snart dessa modifierades av värdorganismens inverkan, bakterierna koloniserade cnidarians kropp i normal utsträckning. Forskarna upprepade sedan experimentet på organismer som redan uppvisade bakteriell kolonisering. Samma mönster framkom här, också:endast de värdmodifierade signalmolekylerna uppmuntrade till konsekvent och typisk kolonisering av Hydra av deras bakteriella symbionter. Ytterligare studier krävs för att avgöra hur dessa resultat, från cnidarian modellorganismer, kan appliceras på andra livsformer. Dock, eftersom Hydra är primitiva evolutionära organismer, det är troligt att denna mekanism också är närvarande i högt utvecklade organismer.

"I gränslandet mellan grundforskning och medicin, det blir allt tydligare att nyckeln till hälsa ligger i balansen mellan kroppen och bakteriesymbionter. I framtiden har vi den utmanande uppgiften att försöka förstå de mycket komplexa relationerna mellan värdar och bakterier. Med våra nya fynd, vi är ett litet steg närmare att uppnå detta, sa en optimistisk Fraune.